تويت
الديناميكا الحرارية - الحرارة .. الفيزياء
الديناميكا الحرارية
الديناميكا الحرارية هي دراسة قوانين تبدل الحرارة وتحولها . وينص القانون الاول في الديناميكا الى اشكال أخرى من أشكال الطاقة الحرارية على أن الحرارة شكل من اشكال الطاقة وانها بالتالي لا تزول .
( الصفحة المقابلة ) عندما يتحول الشغل ك ج ف الناجم عن سقوط جسم ( الصورة العليا ) الى حرارة ، ترتفع درجة حرارة الماء بمقدار كج فك درجة م ( الصورة السفلى ) يتم تعيين مقياس درجة . الحرارة بواسطة نقاط ثابتة ، ثم تقسم المسافة فيما بينها الى أجزاء متساوية . ( الى اليسار ) ميزان حرارة يعمل بواسطة الغاز ويستخدم لقياس التغيرات الصغيرة بدقة كبيرة .
تؤدي اضافة كمية من الحرارة ك الى غاز ما في حجرة الاحتراق ، الى زيادة طاقته الداخلية من ق١ الى ق٢ والى تمدده من ح١ إلى ح٢ على الضغط الجوي ض .
تتولد الطاقة الحرارية من جراء اشتعال الاكسجين مع الاسيتيلين من تلقاء نفسها - بل لا بد من تحولها الى شكل اخر من اشكال الطاقة . فعندما تضاف كمية من الحرارة 5 الى جسم معين وتطبق عليه كمية من الشغل ش ، ينتج عن ذلك تغير في طاقته الداخلية او طاقته الدينامية الحرارية ق وفقا للمعادلة التالية : ق٢ - ق١ = 5 + ش ، والمحرك الحراري ليس سوى جهاز تضاف اليه كمية من الحرارة فيتولد فيه نتيجة لها كمية من الشغل تعتبر في هذه الحالة كمية سالبة . واذا حصلت هذه العملية على حرارة ثابتة ( ك صفر ) فانها تسمى عملية مكظومة ، وتصبح المعادلة حينذاك كالاتي : ق ٢ - ق ١ = ش .
ومن الصعب عادة معرفة القيمة المطلقة للطاقة الداخلية ق ، الا أنه من السهل حساب تبدلاتها من خلال قياس الكميتين 5 و ش . واذا فرضنا أن حجم الجسم قد تغير من ح 1 الى ح ، يكون الشغل الناتج مساويا للكمية ض ( ح٢ - ح١) حيث تمثل ض ضغط الوسط المحيط بالجسم نفسه . وتكون هذه الكمية موجبة في حالة اعطاء الجسم كمية من الشغل بدلا من أخذها منه .
وتستعمل الكمية 5 ، في حالة تفاعل كيميائي ، للتعبير عن الحرارة المضافة الى التفاعل أو الصادرة عنه واذا فرضنا أن ح١ تمثل المحتوى الابتدائي لحرارة الجسم ، وأن ح٢ تمثل محتوى حرارته النهائي ، تتكون لدينا معادلة من النوع 5 = ح٢ - ح١ يطلق على الكمية ح اسم المحتوى الحراري الكلي للجسم ( انتالبيا ) وينتج عن ذلك المعادلة التالية : ح٢ - ح١ = ( ق٢ - ق١ ) + ض ( ح٢ - ح١ ) .
والجدير بالذكر أن تبدل المحتوى الحراري ح٢ - ح١ يعتبر سالبا اذا كان التفاعل مصدرا للحرارة ( تفاعل مصدر للحرارة ) وموجبا اذا كان ممتصا لها ( تفاعل ماص للحرارة ) . وقد تم الاصطلاح بشكل عام على اعتبار كميتي الحرارة والشغل موجبتين اذا دخلتا الى الجسم وسالبتين اذا كانتا صادرتين عنه .
عندما تتبدل حالة المادة من الحالة السائلة الى الحالة الغازية يحدث فيها تغير في الطاقة ثابت الحرارة ) أي تغير في الطاقة لا يصحبه أي تبدل في درجة الحرارة ( يصحبه عادة تمدد في حجم المادة يؤدي الى اعطاء الوسط المحيط به كمية معينة من الشغل ، وبذلك تصبح المعادلة ح غ - ح س = قء - ق س + ض ( ح غ- ح س ) حيث تمثل الكمية حء - ح س المحتوى الحراري لعملية التبخر ( أو الحرارة النوعية الكامنة ) ، ولهذا السبب ، اذا اردنا تحويل كمية من الماء تعادل ٢ كلغ من درجة حرارة صفر م الى بخار على درجة مئة مـ ، لا بد من توفير كميتين من الحرارة :
( ۱ ) الحرارة ( التي تساوي ك ن د ) اللازمة لرفع درجة حرارة الماء من صفر الى مئة وتساوي هنا ۲ × ۱۰۰ × ن جول ( ن هي سعة الماء الحرارية النوعية ) .
( ٢ ) الحرارة ( التي تساوي ك (ح غ - ح س ) اللازمة لتحويل الماء الى بخار على درجة حرارة ثابتة وتساوي ٢ ( ح غ - ح س ) جول .
وهناك تغيير مماثل في كمية المحتوى الحراري اسمه محتوى الانصهار الحراري ح س - ح ص ( أي الحرارة الكامنة للانصهار ) ويحدث عندما يتحول الجسم الصلب الى جسم سائل .
ينتج عن ردود الفعل المتبادلة ببن غازين موجودين في حجرتين مساواة في درجتي حرارتهما .
واذا انتقل جسم معين من حالة س من الطاقة الى حالة ص ، يبقى الشرط ق ص _ ق ص = 5 + ش مطبقاً وفقا للقانون الاول للديناميكا الحرارية دون أخذ مسار تحويل الجسم من س الى ص بعين الاعتبار . ومع ذلك ، تتميز جميع عمليات انتقال الحرارة بأنها خاضعة لنمط واحد لا يتغير هو أنها غير قادرة ، خلال أي طور من أطوار انتقالها من س الى ص ، على الانتقال من منبع حراري الى منبع اخر ذي درجة حرارة اعلى دون أن تسلط عليها كمية شغل خارجية - أي أن الحرارة تتدفق دوما من الجسم الساخن الى الجسم البارد .
كان هذا بمثابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية .
ولنتخيل وعاء معزولا عن الخارج ومؤلفا من حجرتين متساويتي الحجم تحتويان على الاوكسيجين ، ولنفرض أن جميع الجزيئات الموجودة في الحجرة الاولى | تسير بالسرعة نفسها ، ولنقل انها تساوي ٢٥٠ م / ث . وبما أن درجة الحرارة بوحدات ( الكلفن ك ) تتناسب طرديا مع طاقة الجزيئات الحركية وتساوي في حالتنا هذه ٤،٨ × ۱۰ طاقة حركية فان معرفتها امر ممكن ، وهي تبلغ بالتحديد ٨١ ك .
أما في الحجرة الثانية المسماة ب حيث تسير الجزيئات في جميع الاتجاهات وبسرعات مختلفة يبلغ متوسط قيمتها ۳۰۰ م / ث ، فان درجة الحرارة تساوي ۱۱۸ ك ونتيجة لذلك ، وتبعا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، سوف تتدفق الحرارة من الحجرة أ الى الحجرة ب عبر الفاصل بينهما ، فيؤدي ذلك الى زيادة في متوسط سرعة الجزيئات الموجودة في الحجرة الاولى وفي عدد التصادمات الواقعة بينها ، أي الى زيادة في خلل انتظامها ( الشكل ٢٠ ب ) .
يعتبر هذا التفسير طريقة أخرى للتعبير عن القانون الثاني : تتدفق الحرارة في المجموعة دوما بالاتجاه الذي يؤدي الى زيادة في خلل انتظامها .
ويقاس خلل انتظام الجسم بواسطة كمية تسمى الانتروبياب . وتعرف الزيادة في الانتروبيا ب٢ - ب١ بأنها تساوي مجموع زيادات الحرارة المنتقلة على درجة معينة وفقا للمعادلة التالية : ب٢ - ب١ = 5/د مثال ذلك ، عندما يتحول سائل الى غاز عند نقطة الغليان ، يزداد خلل انتظام جزيئاته - أي تزداد قيمة الانتروبيا في داخله - وتصبح المعادلة كالاتي : ب ٢ - ب ١ = ( ح غ - ح س ) / د تمثل الكمية ح غ - ح س المحتوى الحراري لتبخر الجسم ( انظر ص ٢٥ ) وتمثل نقطة غليانه .
تعني هذه النزعة المتمثلة بارتفاع قيمة الانتروبيا في كافة العمليات الطبيعية أن طاقة الكون مستمرة في فقدان انتظامها اكثر فأكثز - أي نقصان في كميتها المتاحة ويؤول ذلك في نهاية المطاف الى زوال الطاقة - أي الى بلوغ الكون حالة الانتروبيا القصوى ، حالة تسمى أحيانا موت الكون الحراري .
وفي نهاية الطرف المقابل على مقياس الانتروبيا توجد درجة حرارة الصفر المطلق . وهي تمثل درجة الحرارة التي تتوقف عندها جميع ذرات المادة وجزيئاتها عن الارتجاج والحركة ، وتنعدم جميع التصادمات فيما بينها ويصبح النظام مخيما بشكل تام حالة انعدام الانتروبيا . وهذا هو القانون الثالث للديناميكا الحرارية ، وهو ينص كالاتي : تنعدم قيمة الانتروبيا في مجموعة معينة إذا بلغت درجة حرارتها درجة الصفر المطلق .
الديناميكا الحرارية
الديناميكا الحرارية هي دراسة قوانين تبدل الحرارة وتحولها . وينص القانون الاول في الديناميكا الى اشكال أخرى من أشكال الطاقة الحرارية على أن الحرارة شكل من اشكال الطاقة وانها بالتالي لا تزول .
( الصفحة المقابلة ) عندما يتحول الشغل ك ج ف الناجم عن سقوط جسم ( الصورة العليا ) الى حرارة ، ترتفع درجة حرارة الماء بمقدار كج فك درجة م ( الصورة السفلى ) يتم تعيين مقياس درجة . الحرارة بواسطة نقاط ثابتة ، ثم تقسم المسافة فيما بينها الى أجزاء متساوية . ( الى اليسار ) ميزان حرارة يعمل بواسطة الغاز ويستخدم لقياس التغيرات الصغيرة بدقة كبيرة .
تؤدي اضافة كمية من الحرارة ك الى غاز ما في حجرة الاحتراق ، الى زيادة طاقته الداخلية من ق١ الى ق٢ والى تمدده من ح١ إلى ح٢ على الضغط الجوي ض .
تتولد الطاقة الحرارية من جراء اشتعال الاكسجين مع الاسيتيلين من تلقاء نفسها - بل لا بد من تحولها الى شكل اخر من اشكال الطاقة . فعندما تضاف كمية من الحرارة 5 الى جسم معين وتطبق عليه كمية من الشغل ش ، ينتج عن ذلك تغير في طاقته الداخلية او طاقته الدينامية الحرارية ق وفقا للمعادلة التالية : ق٢ - ق١ = 5 + ش ، والمحرك الحراري ليس سوى جهاز تضاف اليه كمية من الحرارة فيتولد فيه نتيجة لها كمية من الشغل تعتبر في هذه الحالة كمية سالبة . واذا حصلت هذه العملية على حرارة ثابتة ( ك صفر ) فانها تسمى عملية مكظومة ، وتصبح المعادلة حينذاك كالاتي : ق ٢ - ق ١ = ش .
ومن الصعب عادة معرفة القيمة المطلقة للطاقة الداخلية ق ، الا أنه من السهل حساب تبدلاتها من خلال قياس الكميتين 5 و ش . واذا فرضنا أن حجم الجسم قد تغير من ح 1 الى ح ، يكون الشغل الناتج مساويا للكمية ض ( ح٢ - ح١) حيث تمثل ض ضغط الوسط المحيط بالجسم نفسه . وتكون هذه الكمية موجبة في حالة اعطاء الجسم كمية من الشغل بدلا من أخذها منه .
وتستعمل الكمية 5 ، في حالة تفاعل كيميائي ، للتعبير عن الحرارة المضافة الى التفاعل أو الصادرة عنه واذا فرضنا أن ح١ تمثل المحتوى الابتدائي لحرارة الجسم ، وأن ح٢ تمثل محتوى حرارته النهائي ، تتكون لدينا معادلة من النوع 5 = ح٢ - ح١ يطلق على الكمية ح اسم المحتوى الحراري الكلي للجسم ( انتالبيا ) وينتج عن ذلك المعادلة التالية : ح٢ - ح١ = ( ق٢ - ق١ ) + ض ( ح٢ - ح١ ) .
والجدير بالذكر أن تبدل المحتوى الحراري ح٢ - ح١ يعتبر سالبا اذا كان التفاعل مصدرا للحرارة ( تفاعل مصدر للحرارة ) وموجبا اذا كان ممتصا لها ( تفاعل ماص للحرارة ) . وقد تم الاصطلاح بشكل عام على اعتبار كميتي الحرارة والشغل موجبتين اذا دخلتا الى الجسم وسالبتين اذا كانتا صادرتين عنه .
عندما تتبدل حالة المادة من الحالة السائلة الى الحالة الغازية يحدث فيها تغير في الطاقة ثابت الحرارة ) أي تغير في الطاقة لا يصحبه أي تبدل في درجة الحرارة ( يصحبه عادة تمدد في حجم المادة يؤدي الى اعطاء الوسط المحيط به كمية معينة من الشغل ، وبذلك تصبح المعادلة ح غ - ح س = قء - ق س + ض ( ح غ- ح س ) حيث تمثل الكمية حء - ح س المحتوى الحراري لعملية التبخر ( أو الحرارة النوعية الكامنة ) ، ولهذا السبب ، اذا اردنا تحويل كمية من الماء تعادل ٢ كلغ من درجة حرارة صفر م الى بخار على درجة مئة مـ ، لا بد من توفير كميتين من الحرارة :
( ۱ ) الحرارة ( التي تساوي ك ن د ) اللازمة لرفع درجة حرارة الماء من صفر الى مئة وتساوي هنا ۲ × ۱۰۰ × ن جول ( ن هي سعة الماء الحرارية النوعية ) .
( ٢ ) الحرارة ( التي تساوي ك (ح غ - ح س ) اللازمة لتحويل الماء الى بخار على درجة حرارة ثابتة وتساوي ٢ ( ح غ - ح س ) جول .
وهناك تغيير مماثل في كمية المحتوى الحراري اسمه محتوى الانصهار الحراري ح س - ح ص ( أي الحرارة الكامنة للانصهار ) ويحدث عندما يتحول الجسم الصلب الى جسم سائل .
ينتج عن ردود الفعل المتبادلة ببن غازين موجودين في حجرتين مساواة في درجتي حرارتهما .
واذا انتقل جسم معين من حالة س من الطاقة الى حالة ص ، يبقى الشرط ق ص _ ق ص = 5 + ش مطبقاً وفقا للقانون الاول للديناميكا الحرارية دون أخذ مسار تحويل الجسم من س الى ص بعين الاعتبار . ومع ذلك ، تتميز جميع عمليات انتقال الحرارة بأنها خاضعة لنمط واحد لا يتغير هو أنها غير قادرة ، خلال أي طور من أطوار انتقالها من س الى ص ، على الانتقال من منبع حراري الى منبع اخر ذي درجة حرارة اعلى دون أن تسلط عليها كمية شغل خارجية - أي أن الحرارة تتدفق دوما من الجسم الساخن الى الجسم البارد .
كان هذا بمثابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية .
ولنتخيل وعاء معزولا عن الخارج ومؤلفا من حجرتين متساويتي الحجم تحتويان على الاوكسيجين ، ولنفرض أن جميع الجزيئات الموجودة في الحجرة الاولى | تسير بالسرعة نفسها ، ولنقل انها تساوي ٢٥٠ م / ث . وبما أن درجة الحرارة بوحدات ( الكلفن ك ) تتناسب طرديا مع طاقة الجزيئات الحركية وتساوي في حالتنا هذه ٤،٨ × ۱۰ طاقة حركية فان معرفتها امر ممكن ، وهي تبلغ بالتحديد ٨١ ك .
أما في الحجرة الثانية المسماة ب حيث تسير الجزيئات في جميع الاتجاهات وبسرعات مختلفة يبلغ متوسط قيمتها ۳۰۰ م / ث ، فان درجة الحرارة تساوي ۱۱۸ ك ونتيجة لذلك ، وتبعا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، سوف تتدفق الحرارة من الحجرة أ الى الحجرة ب عبر الفاصل بينهما ، فيؤدي ذلك الى زيادة في متوسط سرعة الجزيئات الموجودة في الحجرة الاولى وفي عدد التصادمات الواقعة بينها ، أي الى زيادة في خلل انتظامها ( الشكل ٢٠ ب ) .
يعتبر هذا التفسير طريقة أخرى للتعبير عن القانون الثاني : تتدفق الحرارة في المجموعة دوما بالاتجاه الذي يؤدي الى زيادة في خلل انتظامها .
ويقاس خلل انتظام الجسم بواسطة كمية تسمى الانتروبياب . وتعرف الزيادة في الانتروبيا ب٢ - ب١ بأنها تساوي مجموع زيادات الحرارة المنتقلة على درجة معينة وفقا للمعادلة التالية : ب٢ - ب١ = 5/د مثال ذلك ، عندما يتحول سائل الى غاز عند نقطة الغليان ، يزداد خلل انتظام جزيئاته - أي تزداد قيمة الانتروبيا في داخله - وتصبح المعادلة كالاتي : ب ٢ - ب ١ = ( ح غ - ح س ) / د تمثل الكمية ح غ - ح س المحتوى الحراري لتبخر الجسم ( انظر ص ٢٥ ) وتمثل نقطة غليانه .
تعني هذه النزعة المتمثلة بارتفاع قيمة الانتروبيا في كافة العمليات الطبيعية أن طاقة الكون مستمرة في فقدان انتظامها اكثر فأكثز - أي نقصان في كميتها المتاحة ويؤول ذلك في نهاية المطاف الى زوال الطاقة - أي الى بلوغ الكون حالة الانتروبيا القصوى ، حالة تسمى أحيانا موت الكون الحراري .
وفي نهاية الطرف المقابل على مقياس الانتروبيا توجد درجة حرارة الصفر المطلق . وهي تمثل درجة الحرارة التي تتوقف عندها جميع ذرات المادة وجزيئاتها عن الارتجاج والحركة ، وتنعدم جميع التصادمات فيما بينها ويصبح النظام مخيما بشكل تام حالة انعدام الانتروبيا . وهذا هو القانون الثالث للديناميكا الحرارية ، وهو ينص كالاتي : تنعدم قيمة الانتروبيا في مجموعة معينة إذا بلغت درجة حرارتها درجة الصفر المطلق .
تعليق