هو المصطلح المستخدم ليشمل سلسلة الدراسات والتجارب التي يتم إجراؤها بموجب قوانين الفيزياء ، والتي تحلل بالتفصيل توازن العناصر الأرضية ، وكذلك كيف تؤثر الحرارة والطاقة على الحياة على الكوكب وعلى سطح الأرض. المواد التي يتكون منها. من هذا المنطلق ، كان من الممكن إنشاء آلات مختلفة تساعد في العمليات الصناعية. تأتي الكلمة من الكلمتين اليونانيتين θερμο و ιςαμις ، والتي تعني "ثيرمو" و "حرارة".
ما هي الديناميكا الحرارية
جدول المحتويات
يشير تعريف الديناميكا الحرارية إلى أن العلم هو الذي يتعامل بشكل خاص مع القوانين التي تحكم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية والعكس صحيح. إنه يقوم على ثلاثة مبادئ أساسية وله آثار فلسفية واضحة ويسمح أيضًا بصياغة المفاهيم التي تعد من بين أكثر المفاهيم بعيدة المدى في الفيزياء.
ضمن هذا ، يتم استخدام طرق مختلفة للتحقيق والتقدير للأشياء المطلوبة ، مثل المقادير الواسعة وغير المكثفة ، حيث يدرس النوع الشامل الطاقة الداخلية أو التركيب المولي أو الحجم والثاني ، من جانبه ، يدرس الضغط ودرجة الحرارة والإمكانات الكيميائية ؛ ومع ذلك ، يتم استخدام مقادير أخرى لتحليل دقيق.
ماذا تدرس الديناميكا الحرارية
تدرس الديناميكا الحرارية تبادل الطاقة الحرارية بين الأنظمة والظواهر الميكانيكية والكيميائية التي تنطوي عليها مثل هذه التبادلات. بطريقة معينة ، فهو مسؤول عن دراسة الظواهر التي يتم فيها تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية أو العكس ، وهي ظواهر تسمى التحولات الديناميكية الحرارية.
يعتبر علم ظواهر ، لأنه يركز على الدراسات العيانية للأشياء وغيرها. وبالمثل ، فإنه يستخدم العلوم الأخرى ليكون قادرًا على شرح الظواهر التي يسعى إلى تحديدها في عناصر التحليل ، مثل الميكانيكا الإحصائية. تستخدم الأنظمة الديناميكية الحرارية بعض المعادلات التي تساعد على مزج خصائصها.
من بين مبادئها الأساسية يمكن العثور على الطاقة ، والتي يمكن أن تنتقل من جسم إلى آخر ، من خلال الحرارة. يتم تطبيقه على العديد من مجالات الدراسة مثل الهندسة ، وكذلك التعاون مع تطوير المحركات ، ودراسة تغيرات المرحلة ، والتفاعلات الكيميائية والثقوب السوداء.
ما هو النظام الديناميكي الحراري
يُطلق على الجسم ، أو مجموعة الأجسام ، التي يحدث فيها التحول الديناميكي الحراري ، النظام الديناميكي الحراري. تتم دراسة النظام بدءًا من الحالة ، أي من ظروفه المادية في لحظة معينة. على المستوى المجهري ، يمكن وصف الحالة المذكورة عن طريق الإحداثيات أو المتغيرات الحرارية ، مثل الكتلة والضغط ودرجة الحرارة وما إلى ذلك ، والتي يمكن قياسها تمامًا ، ولكن على المستوى المجهري ، الكسور (الجزيئات ، الذرات) التي تشكل النظام وتحديد مجموعة مواضع وسرعات هذه الجسيمات التي تعتمد عليها الخصائص المجهرية في النهاية.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن النظام الديناميكي الحراري هو منطقة من الفضاء تخضع للدراسة التي يتم إجراؤها والتي تكون محدودة بسطح يمكن أن يكون حقيقيًا أو خياليًا. تسمى المنطقة خارج النظام التي تتفاعل معها بيئة النظام. يتفاعل النظام الديناميكي الحراري مع بيئته من خلال تبادل المادة والطاقة.
السطح الذي يفصل النظام عن باقي سياقه يسمى الجدار ، وبحسب خصائصه يتم تصنيفها إلى ثلاثة أنواع هي:
فتح النظام الديناميكي الحراري
إنه التبادل بين الطاقة والمادة.
نظام ديناميكي حراري مغلق
إنه لا يتبادل المادة ، لكنه يتبادل الطاقة.
نظام ديناميكي حراري معزول
لا يتبادل المادة أو الطاقة.
مبادئ الديناميكا الحرارية
للديناميكا الحرارية أساسيات معينة تحدد الكميات الفيزيائية الأساسية التي تمثل الأنظمة الديناميكية الحرارية. تشرح هذه المبادئ شكل سلوكهم في ظل ظروف معينة وتمنع ظهور بعض الظواهر.
يقال أن الجسم في حالة توازن حراري عندما تتساوى الحرارة التي يدركها ويصدرها. في هذه الحالة تكون درجة حرارة جميع نقاطها ثابتة ولا تزال ثابتة. إن حالة التوازن الحراري المتناقضة هي تعرض الحديد للشمس.
درجة حرارة هذا الجسم ، بمجرد الوصول إلى التوازن ، تظل أعلى من درجة حرارة البيئة لأن المساهمة المستمرة للطاقة الشمسية يتم تعويضها بما يشعها الجسم ويفقدها بالتوصيل والحمل الحراري.
يوجد مبدأ الصفر للديناميكا الحرارية أو قانون الصفر للديناميكا الحرارية عندما يكون جسمان على اتصال في نفس درجة الحرارة بعد الوصول إلى التوازن الحراري. من السهل فهم أن الجسم الأكثر برودة يسخن بينما يبرد الجسم الأكثر دفئًا ، وبالتالي يقل تدفق الحرارة الصافي بينهما مع انخفاض الاختلاف في درجة الحرارة.
"> جارٍ التحميل…القانون الأول للديناميكا الحرارية
المبدأ الأول للديناميكا الحرارية هو مبدأ الحفاظ على الطاقة (بشكل صحيح ووفقًا لنظرية نسبية المادة والطاقة) والتي وفقًا لها لا يتم إنشاؤها أو تدميرها ، على الرغم من أنه يمكن تحويلها بطريقة معينة إلى آخر.
يتيح لنا تعميم مبدأ الطاقة التأكيد على أن تباين القوة الداخلية لنظام ما هو مجموع العمل المنجز والمحول ، وهو بيان منطقي منذ أن ثبت أن العمل والحرارة هما وسيلتا نقل الطاقة وأنه ليس كذلك خلق أو تدمير.
تُفهم الطاقة الداخلية للنظام على أنها مجموع الطاقات المختلفة وكل الجسيمات التي تتكون منها ، مثل: الطاقة الحركية للترجمة ، والدوران والاهتزاز ، وطاقة الربط ، والتماسك ، إلخ.
تم ذكر المبدأ الأول أحيانًا على أنه استحالة وجود الحركة الدائمة من النوع الأول ، أي إمكانية إنتاج العمل دون استهلاك الطاقة بأي من الطرق التي يتجلى بها.
المبدأ الثاني للديناميكا الحرارية
يتعامل هذا المبدأ الثاني مع عدم رجوع الأحداث الفيزيائية ، خاصة في وقت انتقال الحرارة.
يوضح عدد كبير من الحقائق التجريبية أن التحولات التي تحدث بشكل طبيعي لها معنى معين ، دون أن يتم ملاحظتها أبدًا ، يتم إجراؤها تلقائيًا في الاتجاه المعاكس.
المبدأ الثاني للديناميكا الحرارية هو تعميم ما تعلمه التجربة عن المعنى الذي تحدث فيه التحولات العفوية. وهو يدعم العديد من الصيغ المتكافئة في الواقع. صرح اللورد كلفن ، الفيزيائي والرياضي البريطاني ، بهذه المصطلحات في عام 1851 "من المستحيل إجراء التحول الذي تكون نتيجته الوحيدة هي تحويل الحرارة المستخرجة من مصدر واحد لدرجة الحرارة الموحدة إلى عمل"
هذا هو أحد أهم قوانين الديناميكا الحرارية في الفيزياء ؛ على الرغم من إمكانية صياغتها بعدة طرق ، إلا أنها تؤدي جميعها إلى تفسير مفهوم اللارجعة ومفهوم الانتروبيا. أسس الفيزيائي والرياضي الألماني رودولف كلاوسيوس عدم مساواة ترتبط بين درجات حرارة عدد تعسفي من المصادر الحرارية وكميات الحرارة التي تمتصها هذه المصادر ، عندما تمر مادة ما في أي عملية دورية ، قابلة للعكس أو لا رجعة فيها ، تتبادل الحرارة مع المصادر.
في محطة توليد الطاقة الكهرومائية ، يتم إنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة الكامنة لمياه السدود. تتحول هذه القوة إلى طاقة حركية عندما ينزل الماء عبر الأنابيب ويتحول جزء صغير من هذه الطاقة الحركية إلى القوة الحركية الدورانية للتوربين ، الذي يكون محوره جزءًا لا يتجزأ من محور مغو المولد الذي يولد القوة كهربائي.
يسمح لنا المبدأ الأول للديناميكا الحرارية بضمان عدم حدوث زيادة أو نقصان في الطاقة الأولية في التغييرات من شكل طاقة إلى آخر ، يخبرنا المبدأ الثاني أن جزءًا من تلك الطاقة سيتم إطلاقه في شكل حرارة.
المبدأ الثالث للديناميكا الحرارية
تم تطوير القانون الثالث بواسطة الكيميائي Walther Nernst خلال الأعوام 1906-1912 ، ولهذا السبب غالبًا ما يشار إليه باسم نظرية Nernst أو فرضية Nernst. هذا المبدأ الثالث للديناميكا الحرارية يقول أن إنتروبيا نظام الصفر المطلق هو ثابت محدد. هذا يرجع إلى حقيقة أن هناك نظام درجة حرارة صفرية في حالته الأرضية ، لذلك يتم تحديد إنتروبيا من خلال تدهور الحالة الأرضية. في عام 1912 ، وضع نيرنست القانون على النحو التالي: "من المستحيل بأي إجراء الوصول إلى متساوي الحرارة T = 0 في عدد محدود من الخطوات"
العمليات الديناميكية الحرارية
في مفهوم الديناميكا الحرارية ، العمليات هي التغييرات التي تحدث في النظام والتي تأخذها من حالة التوازن الأولية إلى حالة التوازن النهائية. يتم تصنيفها وفقًا للمتغير الذي ظل ثابتًا طوال العملية.
قد تحدث عملية من ذوبان الجليد ، حتى اشتعال خليط الهواء والوقود لأداء حركة المكابس في محرك الاحتراق الداخلي.
هناك ثلاثة شروط يمكن أن تختلف في النظام الديناميكي الحراري: درجة الحرارة والحجم والضغط. تتم دراسة العمليات الديناميكية الحرارية في الغازات ، لأن السوائل غير قابلة للضغط ولا تحدث تغيرات في الحجم. أيضًا ، بسبب درجات الحرارة المرتفعة ، تتحول السوائل إلى غازات. في المواد الصلبة ، لا يتم إجراء دراسات الديناميكا الحرارية لأنها غير قابلة للضغط ولا يوجد عمل ميكانيكي عليها.
أنواع العمليات الديناميكية الحرارية
يتم تصنيف هذه العمليات وفقًا لنهجها ، للحفاظ على أحد المتغيرات ثابتة ، إما درجة الحرارة أو الضغط أو الحجم. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تطبيق معايير أخرى ، مثل تبادل الطاقة وتعديل جميع متغيراتها.
عملية متساوية الحرارة
عمليات متساوي الحرارة هي كل تلك التي تظل فيها درجة حرارة النظام ثابتة. يتم ذلك من خلال العمل ، بحيث تتغير المتغيرات الأخرى (P و V) بمرور الوقت.
عملية متساوية الضغط
العملية متساوية الضغط هي العملية التي يظل فيها الضغط ثابتًا. سيحدد التباين في درجة الحرارة والحجم تطورها. يمكن أن يتغير الحجم بحرية عندما تتغير درجة الحرارة.
عمليات Isochoric
في العمليات المتساوية ، يظل الحجم ثابتًا. يمكن اعتبارها أيضًا تلك التي لا ينتج فيها النظام أي عمل (W = 0).
هي في الأساس ظواهر فيزيائية أو كيميائية يتم دراستها داخل أي وعاء ، سواء كان ذلك بالتهيج أم لا.
عملية ثابت الحرارة
العملية الحافظة للحرارة هي العملية الديناميكية الحرارية التي لا يوجد فيها تبادل حراري من النظام إلى الخارج أو في الاتجاه المعاكس. ومن الأمثلة على هذا النوع من العمليات تلك التي يمكن إجراؤها في الترمس للمشروبات.
"> جارٍ التحميل…أمثلة على العمليات الديناميكية الحرارية
- مثال على عملية isochoric: حجم الغاز يبقى ثابتًا. عند حدوث أي نوع من تغير درجة الحرارة ، سيكون مصحوبًا بتغيير في الضغط. كما هو الحال مع البخار في قدر الضغط ، فإنه يزيد من ضغطه مع ارتفاع درجة حرارته.
- كمثال على عملية متساوية الحرارة: يتم الحفاظ على درجة حرارة الغاز ثابتة. كلما زاد الحجم ينخفض الضغط. على سبيل المثال ، يزيد البالون الموجود في آلة صنع الفراغ من حجمه عند تكوين الفراغ.
- فيما يتعلق بالعملية الحافظة للحرارة: على سبيل المثال ، ضغط المكبس في مضخة تضخم إطار الدراجة ، أو فك الضغط السريع لمكبس المحقنة ، والذي كان يضغطه مسبقًا مع فتحة المخرج مسدودة.
