يهتم علم الثرموداينمك أو الديناميكا الحرارية بالتغيرات في درجة الحرارة والضغط والحجم على النظم الفيزيائية على النطاق المجهري عن طريق تحليل الحركة الجماعية لجزيئات المادة أو العنصر من خلال الملاحظة والإحصاء، للمزيد تعرف على تعريف علم الثرموداينمك.
تعريف علم الثرموداينمك
في الديناميكا الحرارية هناك قوانين تتخصص في نطاق واسع في تطبيقاتها يمكن أن تكون مفيدة لجميع أنواع النظم طالما أن عنصر التشغيل له علاقة بتوازن الطاقة وانتقال المادة.
تشمل الأمثلة البعيدة المدى لهذه التطبيقات في نهاية القرن العشرين نظرية أينشتاين حول الانبعاثات التلقائية وكذلك الأبحاث الحالية التي تجري على الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء.
القانون الأول للديناميكا الحرارية (الحفاظ على الطاقة)
“عندما تتحول الحرارة إلى أي شكل آخر من أشكال الطاقة أو عندما تتحول أشكال الطاقة الأخرى إلى حرارة فإن إجمالي كمية الطاقة (حرارة زائد أشكال أخرى) في النظام تكون ثابتة”
القانون الثاني للديناميكا الحرارية (الانتروبيا)
“يميل إجمالي الانتروبيا (قياس الطاقة الداخلية) لأي نظام حراري معزول إلى الزيادة بمرور الوقت ويقترب من القيمة القصوى”
ويقترح القانون الثاني للديناميكا الحرارية فكرة أن بعض العمليات تسفر عن نتائج لا رجعة فيها على سبيل المثال لا يمكن عكس عملية تحويل الحرارة إلى طاقة ميكانيكية لا يمكنك تحويل الطاقة الميكانيكية إلى حرارة بعد تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية (درجة حرارة الصفر المطلقة)
“نظرًا لأن النظام يقترب من الصفر المطلق لدرجة الحرارة تتوقف جميع العمليات تقريبًا ويقترب إنتروبيا النظام من الحد الأدنى للقيمة”
يعزز القانون الثالث للديناميكا الحرارية فكرة أنه عند الوصول إلى قياس الصفر المطلق، يفقد النظام كل القدرة على العمل.
قانون نيوتن للتبريد
في عام 1701 أعلن إسحاق نيوتن أولاً قانون التبريد الخاص به في مقال قصير بعنوان “Scala graduum Caloris” (“مقياس درجات الحرارة”) في المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية.
يترجم بيان نيوتن للقانون من اللاتينية الأصلية “فائض درجات الحرارة،كان في تقدم هندسي عندما تكون الأوقات في تطور حسابي.”
الحرارة في علم الثرموداينمك
الديناميكا الحرارية، مرتبطة بعدة خصائص للمادة ومنها الحرارة وهي الطاقة التي يتم نقلها بين المواد أو الأنظمة بسبب اختلاف درجات الحرارة بينها.
كشكل من أشكال الطاقة يتم الحفاظ على الحرارة أي لا يمكن إنشاؤها أو إتلافها، ومع ذلك يمكن نقلها من مكان إلى آخر.
يمكن تحويل الحرارة من وإلى أشكال أخرى من الطاقة مثل يمكن أن تعمل التوربينات البخارية على تحويل الحرارة إلى طاقة حركية لتشغيل مولد يعمل على تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.
يمكن للمصباح الكهربائي أن يحول هذه الطاقة الكهربائية إلى إشعاع كهرومغناطيسي (الضوء) والذي عندما يتم امتصاصه بواسطة سطح ما، يتم تحويله مرة أخرى إلى حرارة.
درجة الحرارة في علم الثرموداينمك
تعتمد كمية الحرارة المنقولة بواسطة مادة ما على سرعة وعدد الذرات أو الجزيئات المتحركة، كلما تحركت الذرات أو الجزيئات بشكل أسرع ارتفعت درجة الحرارة وكلما زادت ذرات أو جزيئات الحركة زادت كمية الحرارة التي تنقلها.
تعتبر درجة الحرارة “مقياسًا لمتوسط الطاقة الحركية للجزيئات في عينة من المادة معبرًا عنها بوحدات أو درجات مخصصة على مقياس قياسي”
الحرارة النوعية
تسمى كمية الحرارة المطلوبة لزيادة درجة حرارة كتلة معينة من المادة بمقدار معين الحرارة المحددة، أو القدرة الحرارية المحددة.
تعتمد الحرارة المحددة للمعادن بالكامل تقريبًا على عدد الذرات الموجودة في العينة وليس على كتلتها، حيث يمكن أن يستهلك كيلوغرام واحد من الألمنيوم حوالي سبع مرات حرارة أكبر من كيلوغرام من الرصاص.
