أخبار عاجلة
الرئيسية » مقالات علمية » مقالات في الفيزياء » علم الديناميكا الحرارية Thermodynamics

علم الديناميكا الحرارية Thermodynamics

علم الديناميكا الحرارية Thermodynamics

الديناميكا الحرارية فرع من افرع الفيزياء يدرس العلاقة بين الحرارة واشكال الطاقة الاخرى. وتصف الديناميكا الحرارية بشكل خاص تحول الطاقة الحرارية إلى انواع الطاقة المختلفة والعكس اي كيف تتحول انواع الطاقة المختلفة إلى طاقة حرارية وكيف تؤثر على المادة.

الطاقة الحرارية هي طاقة المادة او النظام التي يمتلكها بسبب درجة حرارته، اي طاقة حركة جزيئات المادة. وتختص الديناميكا الحرارية بقياس هذه الطاقة. وفي الاغلب تحتوي الانظمة التي ندرسها في الديناميكا الحرارية على عدد كبير جدا من الذرات والجزئيات التي تتفاعل مع بعضها البعض بطرق معقدة. لكن اذا كانت هذه الانظمة في حالة اتزان حراري يمكننا ان نصف سلوكها بالاعتماد على عدد محدد من خواصها مثل كتلة النظام والضغط والحجم.

الحرارة heat

من اهم خواص المادة الكثيرة الحرارة. والحرارة هي الطاقة التي تنتقل بين المواد او الانظمة بسبب اختلاف درجات الحرارة بينها، حسب معادلات الطاقة. والحرارة تخضع لقوانين الطاقة وتكون محفوظة اي لا يمكن ان تفنى او تستحدث، انما يمكن ان تتحول من مكان إلى اخر. كما يمكن للحرارة ان تتحول إلى اي شكل من اشكال الطاقة. على سبيل المثال، يقوم التوربين البخاري بتحويل الحرارة إلى طاقة حركية لتشغيل المولدات التي تقوم بدروها بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية،  وتستمر عملية تحولات الطاقة فيقوم المصباح الكهربائي بتحويل هذه الطاقة الكهربائية إلى اشعاع كهرومغناطيسي (الضوء) والذي يمتص على اسطح المواد ويتحول مرة اخرى إلى حرارة.

درجة الحرارة Temperature

يعتمد مقادر الطاقة الحرارية التي تنتقل من مادة إلى اخرى على عدد الذرات او الجزيئات التي تكون في حالة حركة. وكلما زادت حركة الذرات او الجزيئات كلما كانت درجة الحرارة اعلى وكلما كان عدد الذرات او الجزيئيات في حالة حركة كلما كان مقدار انتقال الطاقة الحرارية اعلى.

ان درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات في المادة. ويوجد لدرجة الحرارة عدة انواع من المقاييس مثل المقياس السيليزي والذي يعرف بالمقياس المئوي وهو يعتمد على نقطتي التجمد والغليان للماء حيث اعتبرت نقطة التجمد الدرجة 0C ونقطة الغليان الدرجة 100C. وهناك المقياس الفهرنهايتي وهو ايضا يعتمد على نقطتي تجمد وغليان الماء الا انه اعطي لنقطة التجمد الدرجة 32F ونقطة الغليان 212F.

يستخدم العلماء جميعا مقياس كلفن والذي يرمز له بالرمز K ويعرف باسم المقياس المطلق والذي توصل له العالم كلفن بالتجربة العملية والحسابات النظرية. فرق الدرجات على مقياس كلفن يعادل فرق الدرجات على المقياس المئوي. يبدأ مقياس كلفن عند الصفر المطلق وهو درجة الحرارة التي تنعدم فيها الطاقة الحرارية تماما وتتوقف حركة الجزئيات. تعادل درجة حرارة الصفر المطلق سالب 273.15C وتعادل ايضا على مقياس الفهرنهايت سالب 459.67F.

الحرارة النوعية Specific heat

ان مقدار الحرارة اللازمة لزيادة درجة حرارة كتلة معينة من المادة بمقدار معين تعرف باسم الحرارة النوعية او سعة الحرارة النوعية. والوحدة المخصصة لها هي كالوري لكل جرام لكل درجة كلفن. ويعرف الكالوري على انه مقدار الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء عند درجة حرارة 4C بمقدار درجة مئوية واحدة.

تعتمد الحرارة النوعية للمعدن على عدد الذرات في العينة وليس على الكتلة. على سبيل المثال يمكن لكيلوجرام من الالومنيوم ان يمتص حوالي سبعة مرات حرارة اكثر من كيلوجرام من الرصاص. مع ان ذرات الرصاص يمكنها ان تمتص ما يقارب 8% حرارة اكثر من نفس العدد من ذرات الالومنيوم. كما يمكن لكتلة محددة من الماء ان تمتص حوالي خمسة مرات حرارة اكثر من نفس الكتلة من الالومنيوم. في حين ان الحرارة النوعية للغاز اكثر تعقيدا وتعتمد على طريقة قياسها اذا تم القياس عند ثبات الضغط او ثبات الحجم.

التوصيل الحراري Thermal Conductivity

يرمز للتوصيل الحراري بالرمز k وهو عبارة عن معدل مرور الطاقة الحرارية خلال مادة محددة، ويعبر عنها بمقدار الحرارة التي تدفق او تنساب لكل وحدة زمن خلال وحدة المساحة مع تدرج حراري بمقدار درجة واحدة لكل وحدة طول من المادة. ووحدة التوصيل الحراري هي الوات W لكل متر m لكل كلفن K. وقيم التوصيل الحراري للمعادن مثل النحاس والفضة تكون عالية وتساوي 401W/m/K و428W/m/K على التوالي. مما يجعل هذه المواد مفيدة جدا في صناعة مبرد السيارة او مبرد الكمبيوتر لانها تتبدال الحرارة مع الوسط الخارجي بسرعة. يعد الماس اعلى المواد الموصلة حراريا وتقدر قيمة التوصيل الحراري له هو 2,200W/m/K.

وعلى النقيض هناك مواد رديئة التوصيل الحراري وتعرف على انها مواد ذات مقاومة حرارية وتعطي قيمة مقاومتها الحرارية بمعدل نقل الحرارة خلال المادة ويرمز لها بالرمز R. هذه المواد مثل الصخر والصوف مفيدة في العزل الحراري للابنية والملابس الشتوية او لاواني حفظ الطعام ساخنا.

قانون نيوتن للتبريد Newton’s law of cooling

في العام 1701 اعلن العالم اسحق نيوتن قانونه في التبريد بمقالة قصيرة نشرها في الجمعية الملكية البريطانية. وينص قانون التبريد على ان معدل التبريد لجسم ساخن يتناسب مع الفرق في درجة الحرارة بين الجسم والوسط المحيط به. على سبيل المثال اذا وضع جسم ساخن في حوض ماء بارد وترك لفترة زمنية محددة، حتى انخفض فرق درجة الحرارة بينهما إلى النصف. وخلال نفس الفترة الزمنية فان المتبقي من فرق درجة الحرارة سوف ينخفض مرة اخرى إلى النصف. وتتكرر عملية الانخفاض في درجات الحرارة الى النصف خلال نفس الفترة الزمنية حتى يصبح الفرق اقل من ان يقاس.

الانتقال الحراري Heat transfer

يمكن ان تنتقل الحرارة من جسم إلى اخر او من جسم إلى الوسط المحيط من خلال ثلاثة طرق مختلفة وهي التوصيل conduction او الحمل convection او الاشعاع الحراري radiation. والتوصيل عبارة عن انتقال الطاقة خلال المواد الصلبة. ويحدث اذا توفر اتصال مباشر تقوم من خلاله الجزيئات بنقل طاقتها عبر الوسط الناقل.

اما الحمل فهو انتقال للحرارة عبر المواد المائعة (السائلة والغازية). عندما تكون جزئيات الغاز او السائل متصلة مع الجسم الصلب فانها تمتص منه الحرارة او تعطيه حرارة وتتحرك بعيدا عنه مما يسمح لجزئيات اخرى ان تتحرك مكانها وتكرر العملية. يمكن في هذه الحالة زيادة كفاءة النقل الحراري من خلال زيادة المساحة السطحية للسطح الساخن او البارد كما يحدث في المبدد الحراري من خلال اجبار سائل التبريد المرور على السطح.

اما في حالة الاشعاع الحراري فانه اشعاع كهرومغناطيسي في طيف الاشعة تحت الحمراء حيث تقوم الفوتونات بنقل الحرارة. كل المواد تشع حرارة وتمتصها من خلال الاشعاع الكهرومغناطيسي والمحصلة تحدد اذا كانت النتيجة فقد او اكتساب حرارة.

دورة كارنو The Carnot cycle

في العام 1824 افترض نيكولاس كارونو Nicolas Carnot نموذج لمحرك حراري يعتمد على دورة تعرف باسم دورة كارنو Carnot cycle. تعمل الدورة من خلال العلاقات المتبادلة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة لغاز وكيف للحرارة الداخلة للدورة تتحول وتعطي شغل ميكانيكي.

تقوم فكرة عمل دورة كارنوا باختصار على ضغط الغاز يعمل على رفع درجة حرارته ويصبح اسخن من الوسط الخارجي. تتحرر الطاقة الحرارية من الغاز الساخن باستخدام مبدد حراري. يسمح للغاز ان يتمدد فتنخفض درجة حرارته. وهي الفكرة الاساسية للمضخات الحرارية المستخدمة في التسخين او التبريد كما في الثلاجات ومكيفات الهواء.

الانتروبي The Entropy

كل الانظمة الحرارية تفقد حرارة. هذا الفقط في الحرارة يعمل على زيادة الانتروبي للنظام. تزداد الانتروبي للانظمة المغلقة دائما ولا يمكن ان تقل. علاوة على ان الاجزاء المكيانيكية المتحركة تفقد حرارة بسبب الاحتكاك والاشعاع الحراري الذي يعمل على تسرب الحرارة من النظام.

هذا يجعل ما يعرف بالالات الدائمة الحركة مستحيلا. حيث لا يمكن بناء محرك بكفاءة 100٪ بمعنى انه لا يمكنك بناء محرك دائم الحركة بالرغم من ان هناك الكثير من المحاولات الجادة من قبل العديد من الافراد يحاولون بناء محركات دائمة الحركة.

كما تعرف الانتربي على انها مقياس العشوائية في النظام المغلق، والتي ايضا تزداد لا محالة. يمكنك ان تقوم بخلط ماء ساخن مع ماء بارد ولاحظ هنا ان العشوائية تزداد في الخليط كما انه لا يمكنك ان تقوم بالعملية العكسية اي تفصل الماء الساخن عن الماء البارد بدون اضافة طاقة إلى النظام. لننظر للامر من ناحية اخرى وهو ان كل العمليات التي تحدث في الطبيعية هي عمليات لا يمكن عكسها مثل اشعال عود ثقاب لا يمكن ان نعيد عود الثقاب الى وضعه الطبيعي وهذا يعطي مؤشرا لاتجاه واحد وهو ان اي عملية تحدث في الطبيعة تكون في اتجاه الزيادة في الانتروبي.

قوانين الديناميكا الحرارية الاربعة The four laws of thermodynamics

في البدايات تاسست الديناميكيا الحرارية على ثلاثة قوانين اساساية ولكن مؤخرا اضيف لها قانون اساسي رابع مع انه قد اهم من قبل لانه بديهي وواضح واسند له الرقم صفر ويعرف بالقانون الصفري للديناميكا الحرارية لانه لم يكون هناك مجال لتسمية اخرى بعد ان كان معروفا القوانين الثلاثة للديناميكا الحرارية وهذه القوانين هي:

القانون الصفري: اذا كان هناك جسمين في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث فانهما يكونا في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض. هذا القانون هو اسس درجة الحرارة كمقياس رئيسي لخاصية المادة.

القانون الاول: ان الزيادة الكلية في طاقة النظام تسواي الزيادة في الطاقة الحرارية مضافا لها الشغل المبذول على النظام. هذا القانون يوضح ان الحرارة هي صورة من صور الطاقة وتخضع لقانون حفظ الطاقة.

القانون الثاني: ان الطاقة الحرارية لا يمكن ان تنتقل من جسم عند درجة حرارة منخفضة إلى جسم عند درجة حرارة اعلى بدون اضافة طاقة حرارية. لهذا السبب تشغيل المكيف لتبريد الهواء في الغرفة او في السيارة مكلفا.

القانون الثالث: ان الانتروبي لبلورة نقية عند درجة الصفر المطلق تساوي صفرا. كما وضحنا اعلاه فان الانتروبي تعرف في بعض الاحيان بالطاقة المفقودة. اي الطاقة الغير متوفرة لبذل شغل ميكانيكي، وحيث انه لا يكون هناك اي طاقة حرارية عند الصفر المطلق، وبالتالي فان الانتروبي تساوي صفر اي لا يوجد اي طاقة مفقودة. كما ان الانتروبي تعتبر ايضا مقياس للعشوائية في النظام وعليه فان البلورة النقية تكون في حالة ترتيب دقيق وكامل فان اي قيمة موجبة لدرجة الحرارة تعني ان هناك حركة في داخل البلورة وهذا سوف يتسبب في الاخلال بالترتيب. لهذه الاسباب لا يوجد نظام فيزيائي له انتروبي اقل ودائما الانتروبي تكون قيمة موجبة.

ان عمل الديناميكا الحرارية تطور على مر القرون الا ان تطبيقاته في كل جهاز اخترع حتى الان. انه علم له اهمية كبيرة في التقنية العصرية.

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 *