علم الديناميكا الحرارية هو علم تجريبي يهتم بدراسة كل ما هو متعلق بدرجة الحرارة والطاقة الحرارية. يستخدم علم الديناميكا الحرارية في التطبيقات الهندسية في تصميم المحركات ومولدات الطاقة الكهربية وأجهزة التبريد والتكييف ويدخل هذا العلم في التطبيقات الصناعية المختلفة.
مصطلحات هامة في علم الديناميكا الحرارية
كل علم من العلوم وكل تخصص من التخصصات له مفاهيمه الأساسية وهذه المفاهيم هي اللغة التي سنستخدمها لشرح مواضيع هذا العلم ومن هذه المصطلحات ما يلي:
| النظام هو الجزء المحدد من المادة والتي توجه إليه الدراسة |  |
System |
| المحيط هو الجزء الذي يحيط بالـ system ويتبادل معه الطاقة ويمكن أن يكون حقيقي أو وهمي | Surrounding | |
| الكون هو كلا من الـ system و الـ surrounding | Universe |
| العملية هي أي تغير يحدث على النظام ويحدث تغيير في الضغط أو درجة الحرارة أو الحجم (الإحداثيات الثيرموديناميكية) | Process |
| هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت درجة حرارة ثابتة | Isothermal process |
| هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت ضغط ثابت | Isobaric process |
| هي العملية التي يكون فيها التغيير تحت حجم ثابت | Isochoric process |
| هي العملية التي لا يكون فيها تغيير في كمية الحرارة وتتم في نظام معزول أي لا يوجد انتقال حرارة من أو إلى النظام. | Adiabatic process |
| هي العملية التي تكون فيها الإحداثيات الثيرموديناميكية غير متجانسة عند إجراء العملية | Irreversible process |
| هي العملية التي تكون فيها الإحداثيات الثيرموديناميكية متجانسة عند إجراء العملية | Reversible process |
| الاتصال الحراري يكون بين جسمين إذا كان من الممكن أن يتبادلا الطاقة الحرارية بدون بذل شغل | Thermal Contact |
| الاتزان الحراري بين جسمين يحدث إذا كان بينهما اتصال حراري وكذلك يكون صافي التبادل الحراري بينهما يساوي صفر | Thermal Equilibrium |
القانون الصفري للديناميكا الحرارية The zeroth law of thermodynamics
Experimentally it was found that when two body A and B are each in thermal equilibrium with a third body C then A and B are also in thermal equilibrium.
ومعنى ذلك أنه إذا وجد جسمين معزولين وكلاً منهما في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث فإن ذلك يؤدي إلى أن الجسمين أيضا في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض. وسمي بالقانون الصفري للديناميكا الحرارية لأنه من المسلمات البديهية ويعتبر هذا القانون الأساس لفكرة الثيرمومتر المستخدم لقياس درجات الحرارة.
الثيرمومتر ومقياس درجات الحرارة Thermometer and temperature scale
الثيرموميتر هو أداة تستخدم لقياس درجات الحرارة، والثيرمومتر يعمل من خلال تغير احد الخصائص الفيزيائية بتغير درجة الحرارة مثل خاصية تمدد الاجسام مع زيادة درجة الحرارة وتغير الضغط أو مقاومة السلك الكهربي بتغير درجات الحرارة. وفيما يلي نذكر الأنواع المختلفة للثرمومتر.
| Type of thermometer | Material | Physical property |
| (1) Liquid thermometer | Mercury or Alcohol | Change in length |
| (2) Gas Thermometer | Hydrogen | Change in pressure |
| (3) Resistance thermometer | Platinum | Change in resistance |
| (4) Thermocouple thermometer | Chromel and Alumel | Change in electric potential |
| (5) Radiation Thermometer | Pyrometer | Change in radiation colour |
| (6) Magnetic thermometer | Change in susceptibility |
من الجدول السابق نجد أنه يمكن تصميم عدة أنواع من مقاييس درجات الحرارة بالاعتماد على تغير الخصائص الفيزيائية بتغير درجة الحرارة. ولعمل ذلك يمكن أن يكون هناك تدريج محدد لقياس درجة الحرارة حيث أن كل خاصية فيزيائية مما سبق تتغير بعلاقة محددة مع تغير درجة الحرارة وبالتالي يكون في النوع الأول من مقياس درجة الحرارة حيث تتمدد مادة الزئبق بزيادة درجة الحرارة أو ازدياد الضغط أو المقاومة بزيادة درجة الحرارة كما في النوعين الثاني والثالث في الجدول أعلاه، ولهذا لابد من إيجاد مقياس أو تدريج يعبر عن درجة الحرارة بغض النظر عن تغير الخاصية الفيزيائية ممن هذه التدريجات المقياس المئوي أو مقياس الفهرنهايت أو المقياس المطلق.
المقياس المئوي Celsius scale
يعتمد هذا التدريج لقياس درجة الحرارة على نقطة تحول الماء من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية وهي درجة الانصهار وهي درجة الصفر, ونقطة التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية وهي درجة الغليان للماء وهي درجة 100.
المقياس الفهرنهايتي Fahrenheit scale
يعتمد هذا التدريج لقياس درجة الحرارة على نقطة تحول الماء أيضا ولكن تم اعتبار درجة الانصهار هي درجة 32 بدلاً من الصفر، ودرجة الغليان للماء وهي درجة 212 بدلاً من 100.
ولتوضيح العلاقة بين التدريج المئوي والتدريج الفهرنهايتي استعن بالشكل التالي:
المقياس المطلق Kelvin scale
مما سبق نجد أن كلا التدريجين اعتمدا على نوع مادة السائل وهو الماء حيث تم اعتبار نقطة الانصهار ونقطة الغليان كأساس للتدريج، وحيث أن هاتين النقطتين تعتمدان على الضغط وعدد من العوامل الأخرى لذا فإننا بحاجة إلى تدريج مطلق لا يعتمد على طبيعة المادة وهذا ما قام به العالم كلفن في تحديد تدريج مطلق لدرجة الحرارة.
قام العالم كلفن باستخدام الصيرمومتر المعتمد على التغير في الضغط Gas thermometer ودرس العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة، وذلك لأكثر من غاز ووجد أن جميع الغازات يقل ضغطها بنقصان درجة الحرارة وأن الضغط يصبح صفر نظرياً (أي عند مد المنحنيات كما في الشكل على استقامتها) عند درجة حرارة وقدرها -273. وقد تم اعتبار هذه الدرجة هي الصفر المطلق وأنها لا تتغير بتغير نوع الغاز وعليه تم معايرة باقي التدريجات الأخرى بالنسبة للصفر المطلق.
وعليه فإن العلاقة بين التدريج المئوي والتدريج المطلق هي:
Tc = T-273
تمرين: ما هي درجة الحرارة التي عندها يتساوى التدريج المئوي والتدريج الفهرنهايتي.
