ماهو الترموديناميك
تم التدقيق بواسطة: فريق أراجيك
إن للعلاقة بين الحرارة والحركة أهميةً كبيرةً في حياتنا العملية وهذا مايسمى بعلم الترموديناميك، وفي هذا المقال سنتعرف على الترموديناميك وأهم القوانين والأفكار التي انطلق منها هذا العلم.
ماهو الترموديناميك
هي كلمةٌ مؤلفةٌ من قسمين وهي الترمو وتعني الحرارة، والديناميك وهو علم الحركة، وبالتالي فإن الترموديناميك هو فرعٌ من فروع الفيزياء مختصٌ بدراسة العلاقة ما بين الطاقة الحرارية والعمل الميكانيكي وتحول كل منهما للآخر.
تاريخ الترموديناميك
قبل القرن التاسع عشر كان هناك افتراضٌ شائعٌ على وجود علاقةٍ بين الشعور بالبرودة والحرارة في الجسم وكمية الحرارة التي يحتويها الجسم، حيث كان يُعتَقد أن الحرارة هي سائلٌ ينتقل من جسمٍ ساخن إلى باردٍ، وأطلق على هذا السائل عديم الوزن اسم السعرات الحرارية. وظل هذا الاعتقاد سائدًا حتى توصل العالم جوزيف بلاك إلى وجود علاقةٍ تربط بين كمية (السعرات الحرارية) وكثافة (درجة حرارة) كمية الحرارة. وفي عام 1847 تم نشر النتيجة النهائية من قبل العالم جيه بي جول الذي أكد على أن الحرارة ماهي إلا شكلٌ من أشكال الطاقة، وبعد سلسلةٍ من التجارب التي أجراها جول وغيره تم اكتشاف كيفية تحويل أشكال الطاقة المختلفة من شكلٍ لآخر.
مفاهيم أساسية في الترموديناميك
سنتوقف عند بعض المفاهيم الأساسية التي بُني عليها علم الترموديناميك والتي من خلالها يمكننا فهم سلوك النظام الديناميكي المعقد، ومن هذه المفاهيم:
- القوة: هي المؤثر الذي يتم من خلاله تغيير الحالة التي يكون عليها الجسم وينتج عن بذل القوة تغيير حركة الجسم أو سرعته أو اتجاهه.
- الطاقة والعمل: الطاقة ناشئةٌ عن الحركة وهي مقدارٌ فيزيائيٌّ يمكن أن يتحول إلى عملٍ.
- التوازن الحراري: هو التوازن الديناميكي الحراري دون وجود ميلٍ لحالة النظام لتغييره تلقائيًّا، فمثلًا إذا كانت درجة الحرارة والضغط موحدةً داخل أسطوانةٍ بمكبسٍ متحركٍ مع وجود قوة تقييدٍ كافية لمنعها من الحركة، فستكون هذه الأسطوانة في حالة توازنٍ مع إمكانية تغيير النظام المتوازن إلى حالةٍ جديدةٍ عن طريق إضافة حرارةٍ أو حجمٍ عن طريق تحريك المكبس. وبالتالي تكون الجملتان الماديتان المتفاعلتان مع بعضهما في حالة توازن حراري عند عدم مرور طاقةٍ حراريةٍ من إحداهما للأخرى.
- درجة الحرارة: من أهم المفاهيم التي ينبغي فهمها بشكلٍ دقيقٍ والتي تضعنا على بداية الطريق الصحيح لفهم الديناميكا الحرارية، فعند الاتصال بين جسمين أو مادتين حراريًّا تنتقل الحرارة من الجسم الأعلى حرارة إلى الأقل حرارة حتى يصبحان في حالة توازنٍ وبنفس مستوى الحرارة، وعندما يصبحان في نفس درجة الحرارة يتوقف انتقال الحرارة ويكون كلا الجسمين قد وصلا للتوازن الحراري.
قوانين الترموديناميك
يوجد ثلاثة قوانين للديناميكا الحرارية، وهم:
- القانون الأول: وهو قانون حفظ الطاقة وينص هذا القانون على أن الطاقة لا تفنى ولا تخلق من العدم، ولكن يمكن أن تتحول من شكلٍ لآخر. وإن أي تغيير في طاقة أي نظامٍ يجب أن يؤدي لتغييرٍ مماثلٍ في طاقة البيئة المحيطة خارج النظام.
- القانون الثاني: ينص القانون الثاني على أنه لا تتدفق الحرارة تلقائيًّا من منطقةٍ أكثر برودةً إلى منطقةٍ أكثر سخونةً، أي أن الجسم الساخن يبرد بشكلٍ تلقائيٍّ أما عملية تحويل الجسم البارد إلى ساخنٍ تحتاج لطاقةٍ لتسخين الجسم البارد، ولا تحدث بشكلٍ تلقائيٍّ. وكمثالٍ بسيطٍ فإن الغرفة إن لم يتم تنظيفها وترتيبها ستصبح غير مرتبةٍ وأكثر فوضى مع مرور الوقت، وبالتالي انتقلت الجملة المادية من حالة الانتظام لحالة التشتت والبعثرة.
- القانون الثالث: يهتم هذا القانون بسلوك الأنظمة التي تقترب درجة حرارتها من الصفر المطلق، وينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أن الانتروبي لمادةٍ بلوريةٍ مثاليةٍ عند درجة حرارة الصفر المطلقة تكون مساويةً للصفر تمامًا، ويجب أن تكون البلورة مثاليةً
- تمامًا.
أمثلة على تطبيقات قوانين الترموديناميك
لقوانين الديناميكا الحرارية تطبيقاتٌ واسعة الانتشار، ومن بعض هذه التطبيقات:
- ينطبق قانون انتقال الحرارة من الجسم الأكثر سخونة للجسم الأقل سخونة على جميع أنواع دورات المحرك.
- الثلاجات والمضخات الحرارية التي تعتمد على دورة كارنو المعكوسة وذلك لنقل الحرارة من جسمٍ في درجة حرارةٍ منخفضةٍ إلى جسمٍ في درجة حرارةٍ أعلى، ينبغي توفير عملٍ خارجيٍّ ليتم الأمر.
- مكيف الهواء ومضخة الحرارة حيث يقوم مكيف الهواء بإزالة الحرارة من الغرفة ويحافظ عليها عند درجة حرارةٍ منخفضةٍ عن طريق إلقاء الحرارة الممتصة في الجو، كما تمتص المضخة الحرارية الحرارة من الجو وتزودها للغرفة الباردة في الشتاء.