الديناميكا الحرارية، هي علم العلاقة بين الحرارة والعمل ودرجة الحرارة والطاقة، وتتعامل الديناميكا الحرارية مع نقل الطاقة من مكان إلى آخر ومن شكل إلى آخر، وفي هذا المقال سنذكر القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
- تدرس قوانين الديناميكا الحرارية الأنظمة الفيزيائية التي تحدث فيها تغيرات في الطاقة بسبب التأثر بالمحيط الموجودة فيه، بالإضافة لتغيرات في كميات فيزيائية أخرى مثل الحرارة والضغط.
- تصف قوانين الديناميكا الحرارية العلاقات بين الطاقة الحرارية أو الحرارة وأشكال الطاقة الأخر، وكيف تؤثر الطاقة على المادة، ومن أهمّ هذه القوانين القانون الثاني للديناميكا الحراريّة.
- ينص هذا القانون على أنه لا تتدفق الحرارة تلقائيًا من منطقة أكثر برودة إلى منطقة أكثر سخونة، أو على نحو مكافئ، لا يمكن تحويل الحرارة عند درجة حرارة معينة بالكامل إلى عمل.
- يعني ذلك، ان إنتروبيا النظام المغلق، أو الطاقة الحرارية لكل وحدة درجة حرارة، تزداد بمرور الوقت نحو بعض القيمة القصوى، وبالتالي، تميل جميع الأنظمة المغلقة نحو حالة توازن يكون فيها الإنتروبيا في أقصى حد ولا توجد طاقة متاحة للقيام بعمل مفيد.
- يرى ميترا، أستاذ الفيزياء في جامعة ميسوري، أن القانون الثاني هو الأهم من بين القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية، وأوضح أن هناك العديد من الطرق لتوضيح القانون الثاني، وأنه إذا كان يوجد نظام منعزل، فإن أي عملية طبيعية في هذا النظام تتقدم في اتجاه زيادة الفوضى، أو الانتروبيا، للنظام .
الديناميكا الحرارية
- لم يتم التعرف على الحرارة رسميًا كشكل من أشكال الطاقة حتى عام 1798، عندما لاحظ الكونت رومفورد (السير بنيامين طومسون)، وهو مهندس عسكري بريطاني، أنه يمكن توليد كميات غير محدودة من الحرارة في براميل المدفع وأن كمية الحرارة المتولدة يتناسب مع العمل المنجز في تحويل أداة مملة حادة،
- وتكمن ملاحظة رامفورد للتناسب بين الحرارة المتولدة والعمل المنجز في أساس الديناميكا الحرارية، وبمعنى أخر وضح أن الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة المقابلة لكمية محددة من العمل الميكانيكي.
- قام المهندس الفرنسي سادي كارنو، بتقديم مفهوم دورة المحرك الحراري ومبدأ الانعكاس في عام 182، ويتعلق عمل كارنو بالقيود المفروضة على الحد الأقصى من العمل الذي يمكن الحصول عليه من محرك بخاري يعمل مع انتقال الحرارة عالية الحرارة كقوة دافعة لها.
- في وقت لاحق من ذلك القرن، تم تطوير هذه الأفكار من قبل رودولف كلاوسيوس، عالم الرياضيات والفيزيائي الألماني، في القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية، على التوالي.
ما هي الديناميكا الحرارية
تصف قوانين الديناميكا الحرارية العلاقات بين الطاقة الحرارية، أو الحرارة، وأشكال الطاقة الأخرى، وكيف تؤثر الطاقة على المادة.
وعلى الرغم من التطور السريع للديناميكا الحرارية خلال القرن التاسع عشر استجابة للحاجة إلى تحسين أداء المحركات البخارية، إلا أن العمومية الكاسحة لقوانين الديناميكا الحرارية تجعلها قابلة للتطبيق على جميع الأنظمة الفيزيائية والبيولوجية، وتقدم قوانين الديناميكا وصفًا كاملاً لجميع التغييرات في حالة الطاقة لأي نظام وقدرته على أداء عمل مفيد في محيطه.
ويناقش العلماء القيم الديناميكية الحرارية في إشارة إلى النظام ومحيطه، فالنظام والمناطق المحيطة مفصولة بحدود، وتنقسم أنواع النظام إلى ثلاثة أنواع كالأتى
النظام المعزول (Isolated System)
لا يمكن للنظام المعزول تبادل الطاقة والكتلة مع محيطه، ويعد الكون من أمثلة الأنظمة المعزولة.
النظام المغلق (Closed System)
عبر حدود النظام المغلق، يتم نقل الطاقة ولكن لا يتم نقل الكتلة، ومن أمثلة الأنظمة المغلقة الثلاجة وضغط الغاز في مجموعة أسطوانة المكبس.
النظام المفتوح (Open System)
في النظام المفتوح، يمكن نقل الكتلة والطاقة بين النظام والمناطق المحيطة، وتعد التوربينات البخارية مثال على النظام المفتوح.
قوانين الديناميكا الحرارية
القانون الصفري للديناميكا الحرارية
عندما يكون كل نظام في حالة توازن حراري مع نظام ثالث، يكون النظامان الأولان في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض، وهذه الخاصية تجعل من المفيد استخدام موازين الحرارة كنظام ثالث ولتحديد مقياس درجة الحرارة.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
يطلق عليه قانون حفظ الطاقة، وفيه يساوي التغيير في الطاقة الداخلية للنظام الفرق بين الحرارة المضافة إلى النظام من المناطق المحيطة به والعمل الذي يقوم به النظام على المناطق المحيطة به.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يعتمد على التغير التلقائي في أي نظام مرتبط في كمية فيزيائية معينة اسمها بالإنتروبي، حيث اتضح أن أي نظام يريد أن يصل إلى حالة الاتزان بشكل تلقائي أو تحدث فيه عمليات طبيعية بشكل تلقائي فإنّ الإنتروبي لهذا النظام إمّا تبقى ثابتة أو تزداد.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية
تميل الإنتروبيا إلى بلورة كاملة لعنصر في أكثر صوره ثباتًا إلى الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق، ويسمح هذا بتأسيس مقياس مطلق للإنتروبيا يحدد، درجة العشوائية أو الفوضى في النظام.
الدول الديناميكية الحرارية
يبدأ تطبيق مبادئ الديناميكا الحرارية بتحديد نظام متميز إلى حد ما عن محيطه، على سبيل المثال، محرك بخاري كامل، أو عداء ماراثون، أو كوكب الأرض، أو نجم نيوتروني، أو ثقب أسود، أو حتى الكون بأكمله، وبشكل عام، تتمتع الأنظمة بحرية تبادل الحرارة والعمل وأشكال الطاقة الأخرى مع محيطها.
وتسمى حالة النظام في أي وقت بالحالة الديناميكية الحرارية، وبمعنى آخر، فإن أي تغيير في قيمة خاصية ما يعتمد فقط على الحالات الأولية والنهائية للنظام، وليس على المسار الذي يتبعه النظام من حالة إلى أخرى، وتسمى هذه الخصائص وظائف الدولة، وفي المقابل، فإن العمل المنجز أثناء تحرك المكبس وتمدد الغاز والحرارة التي يمتصها الغاز من محيطه تعتمد على الطريقة التفصيلية التي يحدث بها التمدد.
اقرأ ايضآ: اختراعات نيكولا تسلا
المراجع
المصدر الأول
المصدر الثاني
المصدر الثالث
