من المؤكد أنك سمعت بمفهوم قوانين الديناميكا الحرارية. تُعرف هذه القوانين أيضًا باسم مبادئ الديناميكا الحرارية، وتشكل الأساس الأساسي للفيزياء المتعلقة بسلوك الحرارة والطاقة والإنتروبيا في الأنظمة الديناميكية الحرارية. سنشرح في هذا المقال بالتفصيل كل ما تريد معرفته عن القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية وكيفية عملها وأصلها وتطبيقها في الحياة اليومية.
قوانين الديناميكا الحرارية
هناك أربعة قوانين للديناميكا الحرارية، مرقمة من صفر إلى الثالث. تُستخدم هذه القوانين لوصف كيفية عمل الأنظمة الفيزيائية في عالمنا وما هي القيود الموجودة على عمليات الطاقة. إنها ضرورية لفهم ظواهر مهمة مثل انتقال الحرارة، والتوازن الحراري، ونمو الإنتروبيا، وهي درجة الاضطراب في النظام.
ولكل من هذه القوانين تركيز محدد. على الرغم من أن ترتيب الصياغة لم يكن ترتيبًا زمنيًا، إلا أنها تتبع حاليًا بنية منطقية تساعد على فهم تفاعلات الطاقة بشكل أكثر وضوحًا. سنقوم بوصف كل من هذه القوانين وكيفية تطبيقها في الممارسة العملية.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
القانون الأول للديناميكا الحرارية، ويسمى أيضًا قانون الحفاظ على الطاقة، ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، بل تتحول. ببساطة، تبقى الكمية الإجمالية للطاقة في نظام معزول ثابتة، على الرغم من أنها قد تتغير في شكلها.
على سبيل المثال، إذا قمت بتزويد نظام بكمية من الطاقة على شكل حرارة، فإن الزيادة في إجمالي الطاقة ستكون مساوية لمجموع الشغل المبذول بالإضافة إلى الزيادة في طاقته الداخلية. يعد هذا القانون أساسيًا لتطبيقات الطاقة الحديثة، بدءًا من محركات الاحتراق الداخلي وحتى إنتاج الكهرباء في محطات الديناميكا الحرارية.مثال عملي: تخيل محرك الطائرة. ويتفاعل الوقود كيميائيا، ويطلق طاقة على شكل حرارة، يتحول بعضها إلى شغل لتحريك المراوح. وعلى الرغم من أن بعض هذه الطاقة يتبدد كحرارة في البيئة، إلا أن إجمالي الطاقة يظل محفوظًا، ولكنه يتغير من شكل إلى آخر.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يُعرف القانون الثاني للديناميكا الحرارية أيضًا باسم قانون الانتروبيا. ينص هذا القانون على أن جميع الأنظمة تميل نحو حالة من الفوضى أو الإنتروبيا الأكبر. ومع مرور الوقت، تزداد إنتروبيا الكون دائمًا.
وهذا يعني أنه في أي عملية طاقة، يتبدد بعض الطاقة دائمًا على شكل حرارة، مما يتسبب في تحرك الأنظمة بشكل طبيعي نحو حالات أكثر اضطرابًا. لا يمكن للنظام أن يكون فعالاً بنسبة 100%لأنه سيكون هناك دائمًا فقدان للطاقة القابلة للاستخدام.
Eمثال عملي: إذا أحرقت قطعة من الورق، تتحول المادة إلى غازات ورماد لا يمكن استرجاعه. هذه العملية لا رجعة فيها، حيث لا يمكن للورقة العودة إلى حالتها الأصلية. وهنا يكشف القانون الثاني أن اضطراب (إنتروبيا) النظام قد زاد.
بالإضافة إلى ذلك، يساعد هذا القانون في تفسير سبب استحالة حدوث ظواهر مثل الحركة الدائمة. هناك دائمًا فقدان للطاقة في البيئة، مما يمنع الآلة من العمل إلى الأبد دون مصدر خارجي للطاقة.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية
ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنه عند الوصول إلى الصفر المطلقتميل إنتروبيا النظام إلى أن تكون ضئيلة وثابتة. الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة ممكنة، أي ما يعادل -273.15 درجة مئوية أو 0 كلفن على مقياس كلفن.
من الناحية النظرية، عند الوصول إلى درجة الحرارة هذه، تتوقف الجزيئات الموجودة في النظام عن الحركة، مما يؤدي إلى إزالة كل الطاقة الحرارية منه. لكن الوصول إلى الصفر المطلق أمر مستحيل عمليا. ومع اقترابنا من درجة الحرارة هذه، تخضع الأنظمة لتغيرات جذرية في خصائصها. على سبيل المثال، تواجه بعض المواد ظواهر مثل الموصلية الفائقة أو السيولة الفائقة.
تطبيق عملي: وعلى الرغم من عدم إمكانية الوصول إلى الصفر المطلق، فقد أدت الأبحاث في الفيزياء إلى إنشاء تقنيات تستفيد من ظواهر المواد عند درجات حرارة قريبة، مثل الموصلات الفائقة، والتي تقضي على المقاومة الكهربائية بشكل شبه كامل.
القانون الصفري للديناميكا الحرارية
القانون الصفري للديناميكا الحرارية هو الأحدث الذي تمت صياغته، لكنه ضروري لتأسيس القوانين الأخرى. ينص هذا القانون على أنه إذا كان هناك نظامان في حالة توازن حراري مع نظام ثالث، فإن هذين النظامين يكونان أيضًا في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض. وهذا يعني أنه إذا لم يكن هناك انتقال للحرارة بينهما، فإنهما لهما نفس درجة الحرارة.
مثال عملي: مقياس الحرارة الموجود في كوب من الماء يقيس درجة حرارة السائل. عندما يصل مقياس الحرارة إلى نفس درجة حرارة الماء، فإنه يتوقف عن تبادل الحرارة معه. هذا مثال كلاسيكي للقانون الصفري في العمل.
بفضل هذا القانون، يمكننا تحديد وقياس درجة حرارة الأجسام، وهو أمر ضروري لجميع الفيزياء الديناميكية الحرارية.
الأهمية الفنية: وبدون القانون الصفري، لن نتمكن من ترسيخ مفهوم درجة الحرارة، ولا استخدام أجهزة مثل موازين الحرارة لقياس الطاقات الحرارية.
تسمح لنا هذه المجموعة المكونة من أربعة قوانين بفهم كيفية عمل الطاقة في عالمنا، وكيف تنتقل، وكيف يتم فقدان بعض منها حتمًا على شكل إنتروبيا. وبدون هذه القوانين، لن يكون من الممكن تحقيق العديد من التطورات التكنولوجية الحديثة، مثل المحركات ومحطات الطاقة وأنظمة التبريد.
السلام عليكم كيف لي ان اعرف المزيد عن الموضوع شكرا لكم تحياتي.