RSS
25-12-2011, 11:30 PM
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 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، كما تنتمي الطاقة الكيميائية (المختزنة في الروابط الكيميائية) أ الطاقة النووية (الموجودة في نوى الذرات) إلى الطاقة الداخلية لنظام .
بدأت دراسات الحركة الحرارية مع اختراع الآلة البخارية وترتب عليها قوانين كثيرة تسري أيضا على جميع أنواع الآلات ، وبصفة خاصة تلك التي تحول الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي مثل جميع أنواع المحركات أو عند تحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية مثلا أو العكس.
نفرق في الترموديناميكا بين "نظام مفتوح " و"نظام مغلق " و " نظام معزول" . في النظام المفتوح تعبر مواد حدود النظام إلى الوسط المحيط ، بعكس النظام المغلق فلا يحدث تبادل للمادة بين النظام والوسط المحيط . وفي النظام المعزول فلا يحدث بالإضافة إلى ذلك تبادل للطاقة بين النظام المعزول والوسط المحيط ، وطبقا لقانون بقاء الطاقة يبقي مجموع الطاقات الموجودة فيه (طاقة حرارية ، وطاقة كيميائية ، و طاقة حركة ، وطاقة مغناطيسية ، و ،إلخ) تبقي مجموعها ثابتا .
توضح لنا الديناميكا الحرارية اعتماد الحرارة و الشغل الميكانيكي عند حدود النظام على دوال الحالة التي تصف حالة النظام . ومن دوال الحالة التي تصف النظام نجد : درجة الحرارة ;T ، والضغط p ، و كثافة الجسيمات n ، و الجهد الكيميائي μ وهذه تسمى "صفات مكثفة" ، وصفات أخرى مثل الطاقة الداخلية U و إنتروبيا S , و الحجم V و عدد الجسيمات N ، تسمى صفات أو دوال شمولية . الفرق بين الدوال المكثفة و الدوال الشمولية ينحصر في كون الدوال المكثفة تتغير لالزيادة والنقصان بطريقة منتظمة ، أما الدوال الشمولية فيعتمد تغيرها على مسار التغير.
كمية الحرارة
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.
درجة الحرارة
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.
الحرارة النوعية
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.
السعة الحرارية
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 ضرب الكتلة في الحرارة النوعية للمادة في فرق درجات الحرارة . تقاس كمية الحرارة بوحدة بالجول.
قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة
القانون الصفري للديناميكا الحرارية
إذا كانت حرارة الجسم أ تساوي حرارة الجسم ب وحرارة ب تساوي حرارة ج فإن حرارة أ تساوي حرارة ج.
[ القانون الأول للديناميكا الحرارية
ينص على أن الطاقة في النظام تساوي العمل المبذول (المضاف أو المنتزع) يضاف إليها الطاقة الداخلية (المضافة أو المنتزعة).
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
:القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يتعلق القانون الثاني بالاعتلاج أو الأنتروبية وينص على مبدأ أساسي يقول بأن تغيرًا تلقائيًا في نظام فيزيائي لا بد وأن يترافق بازدياد في مقدار اعتلاج هذا النظام. ويفيد بأن تدفق الاعتلاج إلى داخل النظام ناقص تدفق الاعتلاج إلى خارج النظام زائد الاعتلاج المتكون داخل النظام تساوي صفرا.
[ القانون الثالث للديناميكا الحرارية
من المستحيل تبريد نظام إلى درجة الصفر المطلق. هذا القانون يحدد درجة الصفر المطلق كحد طبيعي لا يمكن تعديها إلى أقل منها. حقيقة أنه يمكن بأداء عمل كبير الاقتراب من درجة الصفر المطلقة، مثلما يحدث عند دراسة الميوعة الفائقة للهيليوم-3 حيث تصل درجته الحرجة للميوعة الفائقة عند 0.0026 كلفن.
من أهم الخصائص الحرارية للمواد:
الحرارة T
الضغط P
الحجم V
طاقة داخلية U
الاعتلاج (إنتروبيا) S
السخانة H (التغير في الإنثالبي يساوي التغير في الطاقة عند ثبوت الضغط لأن H=pv+U)
السرعة
العلو
ويمكن تقسيم هذه الخصائص بطريقتين:
حالية حرارية (كالحرارة والضغط والحجم) أو حالية كالورية (كالطاقة الداخلية والاعتلاج والسخانة)
حالية (أي أنها تعبر عن حالة للمادة وهي كل الخصائص المذكورة أعلاه) أو عملياتية (أي أنها لا توجد إلا بوجود عملية كعملية انتقال الحرارة من جسم لآخر، وعلى ذلك فهي تمثل تغير حالة المادة. ومن هذه الخصائص الشغل)
منقول
(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 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، كما تنتمي الطاقة الكيميائية (المختزنة في الروابط الكيميائية) أ الطاقة النووية (الموجودة في نوى الذرات) إلى الطاقة الداخلية لنظام .
بدأت دراسات الحركة الحرارية مع اختراع الآلة البخارية وترتب عليها قوانين كثيرة تسري أيضا على جميع أنواع الآلات ، وبصفة خاصة تلك التي تحول الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي مثل جميع أنواع المحركات أو عند تحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية مثلا أو العكس.
نفرق في الترموديناميكا بين "نظام مفتوح " و"نظام مغلق " و " نظام معزول" . في النظام المفتوح تعبر مواد حدود النظام إلى الوسط المحيط ، بعكس النظام المغلق فلا يحدث تبادل للمادة بين النظام والوسط المحيط . وفي النظام المعزول فلا يحدث بالإضافة إلى ذلك تبادل للطاقة بين النظام المعزول والوسط المحيط ، وطبقا لقانون بقاء الطاقة يبقي مجموع الطاقات الموجودة فيه (طاقة حرارية ، وطاقة كيميائية ، و طاقة حركة ، وطاقة مغناطيسية ، و ،إلخ) تبقي مجموعها ثابتا .
توضح لنا الديناميكا الحرارية اعتماد الحرارة و الشغل الميكانيكي عند حدود النظام على دوال الحالة التي تصف حالة النظام . ومن دوال الحالة التي تصف النظام نجد : درجة الحرارة ;T ، والضغط p ، و كثافة الجسيمات n ، و الجهد الكيميائي μ وهذه تسمى "صفات مكثفة" ، وصفات أخرى مثل الطاقة الداخلية U و إنتروبيا S , و الحجم V و عدد الجسيمات N ، تسمى صفات أو دوال شمولية . الفرق بين الدوال المكثفة و الدوال الشمولية ينحصر في كون الدوال المكثفة تتغير لالزيادة والنقصان بطريقة منتظمة ، أما الدوال الشمولية فيعتمد تغيرها على مسار التغير.
كمية الحرارة
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.
درجة الحرارة
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.
الحرارة النوعية
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.
السعة الحرارية
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 ضرب الكتلة في الحرارة النوعية للمادة في فرق درجات الحرارة . تقاس كمية الحرارة بوحدة بالجول.
قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة
القانون الصفري للديناميكا الحرارية
إذا كانت حرارة الجسم أ تساوي حرارة الجسم ب وحرارة ب تساوي حرارة ج فإن حرارة أ تساوي حرارة ج.
[ القانون الأول للديناميكا الحرارية
ينص على أن الطاقة في النظام تساوي العمل المبذول (المضاف أو المنتزع) يضاف إليها الطاقة الداخلية (المضافة أو المنتزعة).
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
:القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يتعلق القانون الثاني بالاعتلاج أو الأنتروبية وينص على مبدأ أساسي يقول بأن تغيرًا تلقائيًا في نظام فيزيائي لا بد وأن يترافق بازدياد في مقدار اعتلاج هذا النظام. ويفيد بأن تدفق الاعتلاج إلى داخل النظام ناقص تدفق الاعتلاج إلى خارج النظام زائد الاعتلاج المتكون داخل النظام تساوي صفرا.
[ القانون الثالث للديناميكا الحرارية
من المستحيل تبريد نظام إلى درجة الصفر المطلق. هذا القانون يحدد درجة الصفر المطلق كحد طبيعي لا يمكن تعديها إلى أقل منها. حقيقة أنه يمكن بأداء عمل كبير الاقتراب من درجة الصفر المطلقة، مثلما يحدث عند دراسة الميوعة الفائقة للهيليوم-3 حيث تصل درجته الحرجة للميوعة الفائقة عند 0.0026 كلفن.
من أهم الخصائص الحرارية للمواد:
الحرارة T
الضغط P
الحجم V
طاقة داخلية U
الاعتلاج (إنتروبيا) S
السخانة H (التغير في الإنثالبي يساوي التغير في الطاقة عند ثبوت الضغط لأن H=pv+U)
السرعة
العلو
ويمكن تقسيم هذه الخصائص بطريقتين:
حالية حرارية (كالحرارة والضغط والحجم) أو حالية كالورية (كالطاقة الداخلية والاعتلاج والسخانة)
حالية (أي أنها تعبر عن حالة للمادة وهي كل الخصائص المذكورة أعلاه) أو عملياتية (أي أنها لا توجد إلا بوجود عملية كعملية انتقال الحرارة من جسم لآخر، وعلى ذلك فهي تمثل تغير حالة المادة. ومن هذه الخصائص الشغل)
منقول