مقالات في الفيزياء

العمليات العكوسة والغير عكوسة

سلسلة تبسيط الفيزياء

العمليات العكوسة والغير عكوسة (ديناميكيا حرارية)

Reversible and Irreversible Processes (Thermodynamics)

اعلانات جوجل

 العمليات العكوسة والغير عكوسة

د. حازم فلاح سكيك

 

في اثناء دراستنا لمقرر الديناميكا الحرارية تقابلنا الكثير من المصطلحات العلمية التي تحمل في طياتها الكثير من المفاهيم الدقيقة والتي يعتمد عليها فهم المادة او الموضوع المشروح ومن هذه المصطلحات على سبيل المثال العلمية العكوسة والغير عكوسة وخصوصا عند دراسة المحركات الحرارية، فان العلميات التي تحدث في الطبيعة هي في مجملها من العمليات الغير عكوسة ومن التسمية نستطيع ان ندرك انها تلك العمليات التي لا يمكن ان تتم في الاتجاه العكسي مثل لو حدث وان سقط كوب على الأرض وانكسر فلا يمكن ان نعكس العملية ليستعيد الكوب شكله الأصلي. وكذلك تستطيع ان تتخيل الكثير من الأمثلة على هذا النحو وفي كافة مجالات الحياة

اعلانات جوجل

في الجزء التالي من سلسلة تبسيط الفيزياء سوف نقوم بتوضيح معنى هاذين المصطلحين وكيف نتمكن ولو تقريبا من اجراء عملية عكوسة لتوضيح الفرق الجوهري بين العملية العكوسة والغير عكوسة.

 

عملية اديباتيكية عكوسة يمكن تغير حالة المادة من حالة ابتدائية الى حالة نهائية من خلال عملية وعكسها بدون استدال حرارة مع الوسط المحيط

اعلانات جوجل

 

دعنا عزيزي القارئ أولا ان نقوم بفحص معنى العلميات العكوسة reversible والعمليات الغير عكوسة irreversible. يتعرض النظام في العملية العكوسة إلى عملية يمكن ان تعود بالمادة إلى شروطها الابتدائية على نفس المسار على مخطط الضغط والحجم PV diagram، وكل نقطة على هذا المسار تكون في حالة اتزان. العملية التي لا تحقق هذه المتطلبات تعتبر عملية غير عكوسة.

كل العمليات التي تحدث في الطبيعة هي عمليات من النوع الغير عكوس irreversible process. دعنا عزيزي القارئ نتفحص عملية تمدد اديباتيكي لغاز، وهذا ما قمنا مناقشته بالفعل من قبل في الجزء 6.20، لنوضح لماذا لا تكون هذه العملية عكوسة. اعتبر ان الغاز محصور في وعاء معزول حراريا كما هو موضح في الشكل 7.22. يفصل غشاء رقيق membrane الغاز عن الفراغ. عندما يحدث ثقب في الغشاء الرقيق فان الغاز يتمدد بحرية في الفراغ. كنتيجة للثقب فان النظام يتغير لأنه الان أصبح يشغل حجم أكبر بعد ان تمدد على كامل الوعاء الذي يحتويه. حيث ان الغاز لا يبذل أي قوة اثناء حركته (تمدده) فانه لا يبذل شغل على المحيط الخارجي له اثناء عملية التمدد. بالإضافة لا يوجد هناك أي طاقة تتحول إلى أو من الغاز بواسطة الحرارة لان الوعاء معزول حراريا عن المحيط به. لهذا فان هذه العملية تعتبر عملية اديباتيكية adiabatic process، والنظام يتغير لكن الوسط المحيط لا يتغير.

 

اعلانات جوجل

تمدد اديباتيكي حر للغاز.

 

حتى تكون العملية عكوسة يجب ان نقوم بإعادة الغاز الى حجمه الأصلي ودرجة حرارته الاصلية دون ان نحدث أي تغير على المحيط. تخيل إنك حاولت ان تعكس العملية أعلاه بضغط الغاز إلى حجمه الأصلي. لفعل ذلك سوف نقوم بوضع مكبس في الوعاء ونستخدمه محرك لإجبار المكبس على الحركة في اتجاه ضغط الغاز. خلال هذه العملية فان المحيط يتغير لأنه يبذل شغل بواسطة المحرك الخارجي على النظام. بالإضافة الى ان النظام يتغير لان الضغط يعمل على زيادة درجة حرارة الغاز. يمكن خفض درجة حرارة الغاز بالسماح للغاز بالالتصاق بمحتوى حراري خارجي لتتسرب الحرارة الإضافية. بالرغم من ان هذه الخطوة تعمل على إعادة الغاز إلى شروطه الابتدائية الا ان المحيط للنظام قد تأثر لان طاقة قد أضيفت للمحيط بواسطة الغاز. إذا أمكن استخدام هذه الطاقة لتشغيل محرك يعمل على ضغط الغاز فان الطاقة الكلية المتحولة إلى النظام سوف تكون صفرا. في هذه الحالة وبهذه الطريقة فان النظام ومحيطه يمكن ان يعودا إلى شروطهما الابتدائية ويمكن ان نطلق على هذه العملية بانها عملية عكوسة. نص كلفن بلانك للقانون الثاني للديناميكا الحرارية يحدد ويصف الطاقة المستخلصة من الغاز ليعود إلى درجة حرارته الاصلية لا يمكن ان تتحول بالكامل إلى طاقة ميكانيكية في صورة شغل مبذول بواسطة المحرك عند ضغطه للغاز. لهذا فانه يجب ان نستنتج ان العملية ستكون غير عكوسة.

 

يمكننا أيضا ان نناقش ان عملية التمدد الاديباتيكي الحر adiabatic free expansion هي عملية غير عكوسة بالاعتماد على تعريف العملية العكوسة وبالتحديد على الجزء الخاص الذي يشير إلى حالة الاتزان في نص التعريف. على سبيل المثال خلال عملية التمدد المفاجئة مثلا (عند حدوث انفجار لإطار سيارة) فان تغيرات كبيرة تحدث في ضغط كل أجزاء الغاز. لهذا فان لا توجد قيمة محددة يمكن ان نصف بها الضغط لكامل النظام عند أي زمن بين الحالتين الابتدائية قبل الانفجار والحالة النهائية بعد الانفجار. في الحقيقة لا يمكن أيضا ان نمثل العملية على منحنى الضغط والحجم. منحنى الضغط والحجم لعملية التمدد الاديباتيكي الحر تبين نقاط الحالة الابتدائية والنهائية لكن هذه النقاط لا يمكن ان نستطيع من توصيلها لتحديد المسار الذي خضع له النظام خلال العملية. لهذا ولان الشروط المتوسطة بين الحالتين الابتدائية والنهائية ليست في حالة اتزان فان العملية تكون غير عكوسة.

طريقة لضغط الغاز في عملية عكوسة عند ثبوت درجة الحرارة.

 

بالرغم من ان كل العمليات التي تحدث في الطبيعة هي عمليات غير عكوسة فان بعض منها يكون قريبا جدا من انها عملية عكوسة. إذا كانت العلمية الحقيقة تحدث ببطء شديد جدا فانه في مثل هذه الحالة نستطيع ان نضمن ان النظام في حالة اتزان اثناء العملية، ويمكن ان نقول عن العملية انها كانت عكوسة تقريبا. افترض غاز يضغط في مكبس عند درجة حرارة ثابتة (نظام الأسطوانة والمكبس) بحيث ان الغاز يكون في حالة اتصال حراري مع محتوى حراري خارجي (المحتوى الحراري لا تتغير درجة حرارته بامتصاص حرارة او فقد حرارة مثل مياه المحيطات تعتبر مستودع مائي لا يتغير مستوى الماء فيه بسحب مياه او ضخ مياه اليه) وبالتالي فان الحرارة تنتقل بشكل متواصل من الغاز الى المحتوى الحراري الخارجي للحفاظ باستمرار على درجة حرارة ثابتة للغاز. على سبيل المثال تخيل ان الغاز ينضغط ببطء شديد جدا بإسقاط بعض حبيبات الرمل على مكبس عديم الاحتكاك كما هو موضح في الشكل 8.22. مع سقوط كل حبيبة رمل على سطح المكبس فان المكبس يضغط على الغاز بمقدار بسيط جدا، وهنا يحيد النظام قليلا عن حالة الاتزان الا ان حالة الاتزان تسترجع في فترة زمنية صغيرة نسبيا. كل حبيبة رمل تمثل تغير في حالة الاتزان لكن الفروقات بين الحالات صغيرة جدا بحيث ان كامل العملية يمكن ان تعتبر على انها تحدث في حالات اتزان متواصلة. يمكن عكس العملية من خلال إزالة حبيبات الرمل المتراكمة على المكبس ببطء أيضا.

الخصائص العامة للعملية العكوسة هي انه لا يكون هناك تأثيرات تشتت او تبدد (مثل ما يحدث في حالة التدفق المضطرب او في حالة الاحتكاك) حيث تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة داخلية. مثل هذه التأثيرات لا يمكن ابدا التخلص منها بشكل كامل، وبالتالي فانه لن يكون امرا غريبا ان نقول ان كل العمليات التي تحدث في الطبيعة هي عمليات غير عكوسة.

 

إلى اللقاء في موضوع جديد من مواضيع تبسيط الفيزياء

 

د. حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.net

يسعدنا مشاركتم للموضوع لتعم الفائدة

 

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

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

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

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى