الديناميكا الحرارية(الترموديناميك)

الديناميكا الحرارية أو التحريك الحراري أو الثرموديناميك (باللاتينية: Thermodynamica) تعبر عن أحد فروع الميكانيكا الإحصائية الذي يدرس خواص انتقال الشكل الحراري للطاقة خصوصا وتحولاته إلى أوجه أخرى من الطاقة. يقوم هذا العلم باستخدام الميكانيكا الإحصائية لصياغة القوانين التي تحكم تحول الطاقة من وجه إلى آخر، والاتجاه الذي تفضله الطاقة الحرارية في انتقالها، والطاقة المتاح تحويلها إلى عمل.

معظم هذه الدراسات تعتمد على فكرة أن أي نظام معزول (بالإنجليزية: Isolated System‏) في أي مكان من الكون يحتوي على كمية فيزيائية قابلة للقياس تسمى الطاقة الداخلية للنظام ويرمز لها بالرمز (U). وتمثل هذه الطاقة الداخلية مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية للذرات والجزيئات ضمن النظام، أي جميع الأنماط التي يمكن أن تنتقل مباشرة كالحرارة، وبذلك تستثنى الطاقة الكيميائية (المختزنة في الروابط الكيميائية) أو الطاقة النووية (الموجودة في نوى الذرات) باعتبارها أنماط طاقية لا يمكن نقلها ضمن الشروط الطبيعية. تبقى الطاقة الداخلية (U) ثابتة حتى يفك عزل النظام فيصبح قادراً على تبادل الطاقة أو المادة منه وإليه، عندئذ يمكن للطاقة الداخلية أن تتغير عن طريق انتقال المادة أو انتقال الحرارة أو إنجاز عمل.
محتويات
[أخف]

* 1 أصل الكلمة
* 2 مقدمة
* 3 تطور الديناميكا الحرارية
* 4 المفاهيم الأساسية
o 4.1 كمية الحرارة
o 4.2 درجة الحرارة
o 4.3 الحرارة النوعية
o 4.4 السعة الحرارية
o 4.5 القانون الأساسي في الديناميكا الحرارية
* 5 قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة
o 5.1 القانون الصفري للديناميكا الحرارية
o 5.2 القانون الأول للديناميكا الحرارية
o 5.3 القانون الثاني للديناميكا الحرارية
o 5.4 القانون الثالث للديناميكا الحرارية
* 6 الكمونات الدينامية الحرارية
* 7 نماذج النظم الدينامية الحرارية
* 8 العمليات الدينامية الحرارية
* 9 الخصائص الحرارية
o 9.1 المعادلة الحرارية
o 9.2 معادلة فان دير فالس
* 10 أنواع تغير الحالة
* 11 اقرأ أيضا
* 12 مراجع

[عدل] أصل الكلمة

المصطلح في اللغات الأوروبية (باللاتينية: Thermodynamica) مأخوذ من الأصول اليونانية θέρμη أي حرارة و δύναμις أي طاقة، وتترجم إلى الديناميكا الحرارية.
[عدل] مقدمة

يهتم علم الديناميكا الحرارية -كما يدل الاسم- بالحرارة أو الطاقة الحرارية بالدرجة الأولى وبكل الظواهر التي تظهر أو تتعلق بهذه الطاقة كعملية انتقال الحرارة من جسم لآخر أو كيفية تخزين هذه الطاقة أو توليدها. يقوم علم الديناميكا الحرارية على أربعة قوانين كبرى وهي القانون صفر (أو القانون الرابع) والقانون الأول والقانون الثاني والقانون الثالث.
[عدل] تطور الديناميكا الحرارية

ساهم في تطور هذا العلم رودولف كلوسيوس و ويليام طمسون و ويليم رانكين
[عدل] المفاهيم الأساسية

المفاهيم الأساسية في الديناميكا الحرارية هي كمية الحرارة ودرجة الحرارة والحرارة النوعية والسعة الحرارية.
[عدل] كمية الحرارة
Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :طاقة حرارية

الحرارة هي إحدى صور الطاقة وتنتقل من نقطة لأخرى أو من جسم لآخر نتيجة للاختلاف في درجة حرارة الجسمين، وتقاس كمية الحرارة بوحدة الطاقة وهي الجول.
[عدل] درجة الحرارة
Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :درجة حرارة

درجة الحرارة هي مقياس الاتزان الحراري ونعني بهذا الحالة التي عندها لا تنتقل الحرارة من نقطة لأخرى وذلك لعدم وجود فارق في درجات الحرارة. وتقاس الحرارة بوحدات مئوية أو فهرنهتية أو مطلقة. وتقاس درجات الحرارة بأنواع مختلفة من مقاييس الحرارة أهمها مقياس الحرارة السائلي، ومقياس الحرارة الغازي، ومقياس الحرارة البلاتيني، ومقياس الحرارة ذو المزدوجة الحرارية، وأخيراً مقياس الحرارة المسمى بالبيومتر الضوئي.
[عدل] الحرارة النوعية
Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :حرارة نوعية

هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة أو مطلقة وبذلك تكون وحدتها هي سعرة حرارية لكل كيلوجرام لكل درجة.
[عدل] السعة الحرارية
Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :سعة حرارية

هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كمية معينة من مادة ما درجة مئوية واحدة.
[عدل] القانون الأساسي في الديناميكا الحرارية
نظام دينامي حراري نموذجي يظهر الدخل يسارًا من مصدر حراري (غلاية) والخرج يمينا إلى المصرف الحراري (المكثف). يستخلص العمل باستخدام سلسلة من الأسطوانات.

يربط الكميات السابقة القانون التالي: Q = M C dt

أي أن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة معينة من المادة فرق في درجات الحرارة dt هو حاصل الضرب الكتلة في الحرارة النوعية في فرق درجات الحرارة ويكون الناتج بالطبع بالجول.
[عدل] قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة
Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :قوانين الديناميكا الحرارية
[عدل] القانون الصفري للديناميكا الحرارية
Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :القانون الصفري للديناميكا الحرارية

إذا كانت حرارة الجسم أ تساوي حرارة الجسم ب وحرارة ب تساوي حرارة ج فإن حرارة أ تساوي حرارة ج.
[عدل] القانون الأول للديناميكا الحرارية
Crystal Clear app kdict.png مقال تفصيلي :القانون الأول للديناميكا الحرارية

ينص على أن الطاقة في النظام تساوي العمل المبذول (المضاف أو المنتزع) يضاف إليها الطاقة الداخلية (المضافة أو المنتزعة).

التحريك الحراري (الترموديناميك)

علم التحريك الحراري (الترموديناميك) thermodynamics هو فرع من الفيزياء تتم فيه دراسة تحولاتٍ تجري في أجسام مادية، وتؤدي فيها درجة الحرارة في الغالب، دوراً أساسياً.
نشأ التحريك الحراري عند دراسة تحسين مردود المحركات الحرارية التي يستمد منها اسمه، لكنه مالبث أن شمل فروع الفيزياء الأخرى وعلوماً مختلفة كالكيمياء وعلم الحياة وامتد إلى فرع المعلوماتية. وهو يتناول الآن معظم التحولات التي تجري في الطبيعة ويحكمها، واكتمل بناؤه علماً يقوم على مبادئ محدّدة في بداية هذا القرن، فقام على ثلاثة مبادئ يضيف إليها بعضهم مبدأ رابعاً سُمّي المبدأ الصفر.
تتناول هذه المبادئ الجمل (النظم) systems من وجهة نظر جهرية macroscopic، وسمي هذا العلم لذلك «الترموديناميك التقليدي» classical thermodynamics. وبعد ظهور البنية الذرية للمادة، ومحاولة الربط بين سلوك الذرات منفردة وسلوكها وهي جماعات (أجسام)، تزاوجت مفاهيم الإحصاء والميكانيك في «الميكانيك الإحصائي» الذي أغنى الترموديناميك وأعطى تفسيرات جديدة لمبادئه، واعتُمدت استناداً إلى ذلك مبادئ جديدة تعد أساساً لما يسمّى الترموديناميك الإحصائي statistical thermodynamics. وإن دخول الترموديناميك الفروع المختلفة في الفيزياء دفع بعضهم إلى تسميته الفيزياء الحرارية أو الفيزياء الإحصائية، كما أن وجود تطبيقات كثيرة للترموديناميك في الكيمياء ووفرة ما يتنبأ به عن التفاعلات أدى إلى ظهور ما يعرف بالترموديناميك الكيميائي.

ب ـ المبدأ الأول أو مبدأ التعادل (التكافؤ) principle of equivalence: ظهر هذا المبدأ على أنقاض نظرية حفظ السائل الحراري caloric fluid التي وضعت لتشرح ما يحدث عند تماس جسمين مختلفين في درجة الحرارة، فهي تفيد بأن سائلاً حرارياً ما يسري من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد حتى يحدث تساوي درجتي حرارتيهما. وقد لاحظ ب طمْسون B.Thompson (الملقب بالكونت رمْفورْد) عام 1798م ارتفاع درجة حرارة أسطوانة المدفع عند خرطها في حين لا يكون هناك جسم حار يزوِّدها بالسائل الحراري وفق النظرية السابقة. ووضح بذلك إخفاقها، وتأكد هذا عندما قام هَمْفري دِيفي Humphry Davy بدلْك لوحين من الجليد أحدهما بالآخر فبدأا بالذوبان على الرغم من كون درجتي حرارتهما واحدة، وقد اقترح طمسون بعد هذا أن الحرارة ليست إلا نمطاً من أنماط الطاقة. لكن هذه الفكرة لم تحظ بالاهتمام الكافي وبقيت منسية حتى قرابة عام 1850م، أي حتى قيام العالم الإنكليزي جول[ر] Joule بقياسات كمِّية برهن فيها على التعادل بين كمية الحرارة الناتجة من عملٍ والعملِ نفسه، واستخلص قيمة المعادل الميكانيكي للحريرة. (والحريرة calorie هي واحدة كمية الحرارة وهي مما خلّفته نظرية السائل الحراري)، ولكن غالباً ما تقدَّر كمية الحرارة الآن بالجول (وهو واحدة العمل). وفي الوقت نفسه قام العالم الألماني ماير R.Mayer بحساب الفرق بين السعتين الحراريتين: السعة الحرارية تحت ضغط ثابت والسعة الحرارية في حجم ثابت، وبيَّن أن هذا الفرق هو نتيجة صرف عمل معادل (للتغلب على الضغط)، فتوصل إلى قيمة تقارب القيمة التي حصل عليها جول. وتعد صيغة التعادل بين الطاقة الميكانيكية (العمل) والطاقة الحرارية إحدى صيغ المبدأ الأول. غير أن هذا المبدأ يتضمن فكرة أخرى هي تعريف تابع الطاقة الداخلية internal energy للجملة المدروسة. فإذا ما تبادلت جملة ترموديناميكية مع الوسط الخارجي كمية من الحرارة Q وعملاً W في تحولات ترموديناميكية مختلفة بين الحالتين نفسيهما (أي على طرق مختلفة بين الحالتين) فإن المجموع الجبري لهما يبقى ثابتاً، ويكتب مساوياً للفرق بين قيمتي تابع الطاقة الداخلية E.

وقد اصطُلح على أن تكون إشارة كلٍ من Q وW موجبة إذا ما دخلت إلى الجملة، كأن تمتص الجملة كمية من الحرارة، وسالبة فيما إذا خرجت منها، كأن تعطي الجملة كمية من الحرارة إلى الوسط الخارجي (ويصطلح بعضهم اصطلاحين مختلفين لكلٍ من كمية الحرارة والعمل المتبادلين فيظهر القانون في صيغة ΔE = Q - W ويُنظر إلى هذا القانون على أنه مبدأ حفظ الطاقة إذا قامت الجملة بدورة مغلقة، فيكون المجموع W+Q منعدماً ومن ثم يكون: E2=E1. كذلك يُعبَّر عن هذا المبدأ أحياناً باستحالة صنع محرك دائم ينتج عملاً من لا شيء، وذلك بالنظر لما يحدث في دورة كاملة فلا بد للجملة إذا ما قدمت عملاً (W-) أن تمتص حرارة.
ويُعدّ هذا المبدأ أحياناً أخرى ناجماً عن ضم مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية ونظرية حفظ السائل الحراري إذ يخفق حفظ أي منهما على حدة في حين يكون مجموعهما محفوظاً. ويذهب الفيزيائيون إلى الاعتقاد بأن مبدأ حفظ الطاقة من المبادئ الأساسية في الطبيعة، وكلما ظهر ما يناقضه بادروا إلى تعريف طاقة جديدة، فعندما ظهر مثلاً ما يخرق مبدأ الحفظ هذا في التفاعلات النووية افتُرض وجود الطاقة الناتجة عن نقصان الكتلة ومن ثم التعادل بين المادة والطاقة، وبقي قانون حفظ الطاقة سارياً، ويعد الآن الصيغة النهائية للمبدأ الأول.
جـ ـ المبدأ الثاني: تناول هذا المبدأ في أول ظهوره عمل المحركات الحرارية والمبرِّدات، أي تحويل الحرارة إلى عمل وانتقال الحرارة. فوضع حداً أعلى لمردود المحركات الحرارية وبيَّن طرائق تحسين أدائها؛ ولهذا المبدأ صيغ عديدة يمكن البرهان على تكافئها بمحاكمة منطقية. وعلى الرغم من أن اختراع المحرك البخاري يعود إلى العام 1765م من قِبل جيمس واط James Watt فإن ظهور القانون الثاني الذي يبيّن سلوك المحركات الحرارية تأخر حتى منتصف القرن التاسع عشر، عندما أعلن عنه كلٌ من كلاوزيوس[ر] (1850م) Clausius وكلفن[ر] Kelvin في صيغتين مختلفتين. وتنص صيغة كلفن على «استحالة استخلاص عمل ميكانيكي بأي وساطة مادية، من أي جزء من المادة، بتبريده إلى درجة حرارة أخفض من أخفضِ درجات حرارة الأجزاء المحيطة به». أما صيغة كلاوزيوس فتنص على «أنه يستحيل انتقال كمية من الحرارة من منبع بارد إلى منبع أسخن منه تلقائياً، أي من غير الاستعانة بمنبع طاقة خارجي».

وأما صيغة بلانك Planck فتنص على «استحالة صنع محرك يعمل في دورة كاملة تكون نتيجتها الوحيدة إنجاز عمل ميكانيكي بتبريد منبع حراري وحيد». وهي صيغة تعني استحالة صنع آلة دائمة الحركة من النوع الثاني تعمل على منبع وحيد. وتشترك هذه الصيغ الثلاث في كونها صيغاً نافية، ويسوِّغ صدقها بطريقة نقض الفرض. وقد حاول أحد المهندسين اللامعين هو المهندس سادي كارنو[ر] Sadi Carnot معالجة مردود المحركات معالجة نظرية وانتهى إلى صيغة للمبدأ الثاني سميت باسمه عام 1824م أعيد اكتشافها وصوغها فاستخدمت للتوفيق بين الصيغ المختلفة.

وقد لاحظ كارنو الارتباط الوثيق بين التحولات الطبيعية والتحولات اللاعكوسة وكذلك انخفاض مردود المحرك كلما ابتعدت التحولات التي يعمل عليها عن العكُوسة. لذلك تخيل محركاً مثالياً يقوم بدورة مكونة من تحولات عكوسة، وبرهن على أن لهذا المحرك أفضل مردود. ويؤدي هذا إلى صيغة أخرى مستمدة من أعمال كارنو تنص على أن جميع مردودات محركات كارنو التي تعمل بين المنبعين نفسيهما متساوية بغض النظر عن المادة المستخدمة فيها. مما يدعو إلى القول بأن مردود أي منها لا يتعلق إلا بدرجتي حرارة المنبعين فقط.
تصور كارنو التحولات في الدورة العكوسة المسماة باسمه، فذكر أن أقرب التحولات إلى العكُوسة، مع امتصاص كمية من الحرارة أو إعطائها، هو التحول المتساوي الدرجة isothermal ويحتاج الأمر إلى تحولين على الأقل في هذه الدورة، ووصَل بينهما بتحولين لا يتم فيهما تبادل حراري مع الوسط الخارجي أي تحولين كظومين adiabatics،

gtr