أخبار عاجلة
الرئيسية » غير مصنف » القانون الاول للديناميكا الحرارية

القانون الاول للديناميكا الحرارية

القانون الاول للديناميكا الحرارية

ينص القانون الاول للديناميكا الحرارية على انه الحرارة هي صورة من صور الطاقة، وان العمليات الديناميكية الحرارية محكومة بقانون الحفاظ على الطاقة. هذا يعني ان الطاقة الحرارية لا يمكن ان تستحدث او تتلاشي انما تتحول من صورة إلى اخرى.

ان علم الديناميكيا الحرارية thermodynamics هو فرع من الفيزياء يتعامل مع الحرارة وصور الطاقة الاخرى. وبشكل خاص يصف علم الديناميكا الحرارية كيف تتحول الطاقة الحرارية من صورة إلى اخرى من صور الطاقة وكيف تؤثر على المادة. وهناك اربعة قوانين تصف المبادئ الاساسية للديناميكا الحرارية.

 يخبرنا القانون الاول للديناميكا الحرارية بان الطاقة الداخلية للنظام يجب ان تساوي الشغل المبذول على النظام مضافا له او مطروحا منه الحرارة التي تتدفق نحو النظام او تغادره. اي ان القانون الاول للديناميكا الحرارية ما هو الا اعادة صياغة لقانون الحفاظ على الطاقة.

بشكل ادق نعبر عن القانون الاول للديناميكا الحرارية بانه التغير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي مجموع كل الطاقات التي تدخل على النظام والتي تغادره تماما كما يحدث عندما تودع اموالك في البنك او تسحبها. يعبر عن هذا النص بالقانون الفيزيائي ΔU = Q – W حيث ان ΔU هي مقادر التغير في الطاقة الداخلية للنظام، وQ هي الحرارة المضافة للنظام وW هو مقادر الشغل المبذول بواسطة النظام.

 

نبذة تاريخية

علماء القرن الثامن عشر ومطلع القرن التاسع عشر تمسكوا بنظرية الكلوري caloric theory التي وضعها العالم أنطوان لافوازييه  Antoine Lavoisier في العام 1783، والتي عززت باعمال العالم سادي كارنو Sadi Carnot في العام 1824. تتعامل نظرية الكلوري مع الحرارة على انها نوع من المائع الذي يتدفق بشكل طبيعي من المناطق الساخنة إلى المناطق الباردة تماما كما يحدث للماء عندما ينساب من الاماكن المرتفعة إلى الاماكن المنخفضة. عندما يتدفق المائع الكلوري من الساخن إلى البارد فانه يتحول إلى طاقة حركية ويقوم باداء شغل مثل سقوط الماء الذي يؤدي إلى تحريك ترس مائي. واستمرت هذه النظرية حتى نشر العالم رودولف كلاوزيوس Rudolph Clausius النظرية الميكانيكية للحرارة في العام 1879 والتي انهت عصر نظرية الكلوري.

انظمة الديناميكا الحرارية

يمكننا ان نقسم الطاقة إلى قسمين، القسم الاول هو المقياس البشري الجاهري مثل حركة مكبس ليدفع غاز في اسطوانة، والقسم الثاني من الطاقة هو ما يحدث على مقياس صغير اي جوهري او ميكروسكوبي حيث لا يمكننا ان نتتبع مسار كل مشاركة بمفردها.

لنوضح الامر اكثر، افترض انك وضعت عينتين من المعدن مقابل بعضهما البعض وذرات العينتين تتحركان حول الحد الفاصل بينهما، وان ذرتين تتصادمان مع بعضهما البعض، واحد الذرات تتقدم بسرعة اكبر من الاخرى، لاحظ هنا اننا لا نستطيع ان نتتبع مسار كل حدث بمفرده. ان الامر يحدث على مقياس زمني صغير جدا وعلى مسافة طفيفة لا تكاد تذكر. هذا فضلا على ان العملية تتكرر بسرعة عدة مرات في الثانية. لذلك فاننا نقسم كل الطاقة المتحولة إلى قسمين بالاعتماد على اذا ما كنا قادرين على تتبع الاحداث بمفردها او اذا لم نكن قادرين على ذلك. والقسم الثاني هو ما نطلق عليه باسم الحرارة heat (او بعض الاحيان الطاقة الحرارية).

ان الانظمة المستخدمة في الديناميكا الحرارية اما ان تكون مفتوحة او مغلقة او معزولة. في النظام المفتوح يكون تبادل الطاقة والمادة مع الوسط المحيط بالنظام المفتوح بحرية كاملة. اما في حالة النظام المغلق فان تبادل الطاقة ممكن لكن تبادل المادة مع الوسط المحيط غير ممكن، والنظام المعزول لا يحدث فيه تبادل للطاقة والمادة مع الوسط المحيط. على سبيل المثال، لنفترض نظام من ماء في قدر يغلي فانه يستقبل الطاقة من الفرن ويشع الحرارة وتتسرب المادة في صورة بخار إلى الوسط المحيط وهذا هو نظام مفتوح. اما اذا اغلقنا القدر باحكام فان الحرارة تتسرب من النظام عن طريق الاشعاع الحراري لكن المادة نفسها محصورة ولا تتسرب خارج القدر وهنا يكون لدينا نظام مغلق. لكن اذا قمنا بوضع الماء الساخن في تيرموس حراري محكم الاغلاق، فان كلا من الحرارة والمادة لا تتسربان من التيرموس وهنا يكون لدينا نظام معزول.

من الناحية العملية لا يوجد نظام معزول تماما. كل الانظمة تتسرب منها الطاقة إلى الوسط المحيط عن طريق الاشعاع مهما قمنا باتخاذ كافة الاجراءات لعزله. فالماء الساخن في التيرموس بعد فترة زمنية معينة قد تصل لعدة ساعات تنخفض درجة حرارته.

المحركات الحرارية Heat engines

اشهر التطبيقات المعروفة للقانون الاول للديناميكا الحرارية المحرك الحراري heat engine. تقوم المحركات الحرارية بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية والعكس بالعكس. معظم المحركات الحرارية تندرج تحت الانظمة المفتوحة. ان مبدأ عمل المحرك الحراري يعتمد على العلاقة بين الحرارة والحجم والضغط للنظام وهو الهواء والوقود. ويكون النظام في معظم الاحيان في الحالة الغازية ولكن قد يتعرض لتغيرات في الطور ليتحول إلى سائل ويعود مرة اخرى إلى غاز في نهاية الدورة.

عند تسخين الغاز فانه يتمدد وعندما يكون محصورا في مكبس مثلا فان ضغطه يزداد. اذا سمح للمكبس بالحركة فان هذا الضغط يبذل قوة على سطح المكبس ويتسبب في حركته. هذه الحركة هي عبارة عن شغل يعادل القوة الكلية المطبقة على المكبس مضروبة في المسافة التي تحركها المكبس.

هناك العديد من الاختلافات بين المحركات الحرارية المتنوعة. على سبيل المثال المحرك البخاري steam engines يعتمد على الاحتراق الخارجي لتسخين خزان الماء. يتحول الماء إلى بخار ويستخدم ضغط البخار في تحريك المكبس ليحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. اما في محركات السيارات على الجانب الاخر فتعتمد على الاحتراق الداخلي حيث يتبخر الوقود ويختلط مع الهواء داخل المكبس ويحدث الاشتعال داخله فينتج عنه ضغط يبذل قوة لتحريك المكبس إلى الاسفل.

الثلاجات ومكيفات الهواء والمضخات الحرارية Refrigerators, air conditioners and heat pumps

الثلاجات والمضخات الحرارية هي نوع من انواع المحركات الحرارية لكنها تقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. معظم هذه الانواع تقع ضمن الانظمة المغلقة. عندما ينضغط الغاز فان درجة حرارته تزداد. يقوم الغاز الساخن بتحويل الحرارة إلى الوسط المحيط. بعد ذلك يتمدد الغاز وتنخفض درجة حرارته لدرجة اقل مما كان قبل ان يتعرض للضغط لان بعض من حرارته تسربت خلال المرحلة السخونة. هذا الغاز البارد يمتص طاقة حرارية من الوسط المحيط فيعمل على تبريده. هذا هو المبدأ الاساسي لعمل مكيفات الهواء. في الواقع لا يقوم مكيف الهواء بتوليد البرودة انما يعمل على التخلص من الحرارة. كيف يتم هذا؟ ببساطة عن طريق مضخة ميكانيكية نطلق عليها اسم الكمبريسور ويمكنك عزيزي القارئ الاطلاع على موضوع كيف يعمل مكيف الهواء لمزيد من التفاصيل. بشكل مختصر يقوم الكمبريسور في مكيف الهواء بالعمل بطريقة عكسية للمحرك حيث يقوم بسحب الحرارة من الغرفة وضخها إلى الوسط خارج الغرفة حيث تكون درجة الحرارة اعلى.

هذه ببساطة فكرة عن القانون الاول للديناميكا الحرارية وتطبيقاتها…

تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email [email protected]

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *