- ما هي قوانين الديناميكا الحرارية؟
- أصل قوانين الديناميكا الحرارية
- القانون الأول للديناميكا الحرارية
- القانون الثاني للديناميكا الحرارية
- القانون الثالث للديناميكا الحرارية
- القانون الصفري للديناميكا الحرارية
نفسر ما هي قوانين الديناميكا الحرارية ، ما هو أصل هذه المبادئ والخصائص الرئيسية لكل منها.
ما هي قوانين الديناميكا الحرارية؟
تصف قوانين الديناميكا الحرارية (أو مبادئ الديناميكا الحرارية) سلوك ثلاث كميات فيزيائية أساسية ، درجة الحرارة، ال طاقة و الغير قادر عليالتي تميز الأنظمة الديناميكية الحرارية. مصطلح "الديناميكا الحرارية" يأتي من اليونانية الترمس، ماذا يعني "الحرارة"، ص دينامو، ماذا يعني "فرض”.
رياضيا ، تم وصف هذه المبادئ بواسطة أ تعيين المعادلات التي تشرح سلوك الأنظمة الديناميكية الحرارية ، والتي تُعرف بأنها أي موضوع للدراسة (من أ مركب أو أ كائن بشري، حتى أجواء أو الماء المغلي في قدر).
هناك أربعة قوانين للديناميكا الحرارية وهي ضرورية لفهم القوانين الفيزيائية لـ كون واستحالة بعض الظواهر مثل حركة دائم الازهار.
أصل قوانين الديناميكا الحرارية
المبادئ الأربعة ل الديناميكا الحرارية لها أصول مختلفة ، وبعضها تمت صياغته من الأصول السابقة. أول ما تم إنشاؤه ، في الواقع ، كان الثاني ، عمل الفيزيائي والمهندس الفرنسي نيكولاس ليونارد سادي كارنو في عام 1824.
ومع ذلك ، في عام 1860 ، تمت صياغة هذا المبدأ مرة أخرى من قبل رودولف كلاوزيوس وويليام طومسون ، ثم أضافا ما نسميه الآن القانون الأول للديناميكا الحرارية. فيما بعد ظهر الثالث ، المعروف أيضًا باسم "مسلمة نيرست" لأنها نشأت بفضل دراسات والثر نيرنست بين عامي 1906 و 1912.
أخيرًا ، ظهر ما يسمى بـ "قانون الصفر" في عام 1930 ، الذي اقترحه غوغنهايم وفاولر. يجب أن يقال أنه ليس في جميع المجالات يتم الاعتراف به كقانون حقيقي.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
القانون الأول يسمى "قانون الحفاظ على الطاقة" لأنه يملي ذلك في أي النظام بمعزل عن بيئتها ، فإن الكمية الإجمالية للطاقة ستكون دائمًا كما هي ، على الرغم من إمكانية تحويلها من شكل واحد من أشكال الطاقة إلى أشكال مختلفة. أو بعبارة أخرى: الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، بل تتحول فقط.
وبالتالي ، من خلال توفير كمية معينة من الحرارة (Q) لنظام فيزيائي ، يمكن حساب الكمية الإجمالية للطاقة على أنها الحرارة التي يتم توفيرها مطروحًا منهامهنة (W) يؤديها النظام على محيطه. معبر عنها في صيغة: ΔU = Q - W.
كمثال على هذا القانون ، دعنا نتخيل محرك طائرة. إنه نظام ديناميكي حراري يتكون من وقود يتفاعل كيميائيًا أثناء عملية الإحتراق، يطلق الحرارة ويقوم بعمل (مما يجعل الطائرة تتحرك). لذلك: إذا تمكنا من قياس مقدار العمل المنجز والحرارة المنبعثة ، فيمكننا حساب الطاقة الإجمالية للنظام واستنتاج أن الطاقة في المحرك ظلت ثابتة أثناء الرحلة: لم يتم إنشاء الطاقة ولم يتم تدميرها ، بل تم تغييرها من الطاقة الكيميائية ل طاقة السعرات الحرارية صالطاقة الحركية (الحركة ، أي العمل).
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يمكن تلخيص القانون الثاني ، المسمى أيضًا "قانون الانتروبيا" ، في أن كمية غير قادر علي في الكون يميل إلى الزيادة في طقس. وهذا يعني أن درجة اضطراب الأنظمة تزداد حتى تصل إلى نقطة التوازن ، وهي حالة أكبر اضطراب في النظام.
يقدم هذا القانون مفهومًا أساسيًا في الفيزياء: مفهوم الانتروبيا (يمثله الحرف S) ، والذي يمثل في حالة الأنظمة الفيزيائية درجة الاضطراب. اتضح أنه في كل عملية فيزيائية يوجد فيها تحول للطاقة ، كمية معينة من الطاقة غير قابلة للاستخدام ، أي أنها لا تستطيع القيام بأي عمل. إذا كنت لا تستطيع القيام بأي عمل ، فإن الطاقة في معظم الحالات هي حرارة. تلك الحرارة التي يطلقها النظام ، ما يفعله هو زيادة اضطراب النظام وانتروبيا. الانتروبيا هو مقياس لاضطراب النظام.
تنص صياغة هذا القانون على أن التغيير في الانتروبيا (dS) سيكون دائمًا مساويًا أو أكبر منانتقال الحرارة (dQ) مقسومًا على درجة حرارة (T) للنظام. أي أن: dS ≥ dQ / T.
لفهم هذا بمثال ، يكفي حرق كمية معينة من موضوع ثم نجمع الرماد الناتج. عند وزنها ، سنتحقق من أنها أقل أهمية مما كانت في حالتها الأولية: تم تحويل جزء من المادة إلى حرارة على شكل غازات أنهم لا يستطيعون العمل على النظام وأنهم يساهمون في اضطرابها.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية
ينص القانون الثالث على أن إنتروبيا النظام الذي يصل إلى الصفر المطلق سيكون ثابتًا محددًا. بعبارات أخرى:
- عند الوصول إلى الصفر المطلق (صفر بوحدات كلفن) ، تتوقف عمليات الأنظمة الفيزيائية.
- عند الوصول إلى الصفر المطلق (صفر بوحدات كلفن) ، يكون للإنتروبيا قيمة دنيا ثابتة.
من الصعب الوصول إلى ما يسمى الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) على أساس يومي ، لكن يمكننا التفكير في هذا القانون من خلال تحليل ما يحدث في المجمد: غذاء التي نودعها هناك ستصبح باردة جدًا لدرجة أن العمليات الكيميائية الحيوية بداخلها ستتباطأ أو حتى تتوقف. لهذا السبب تأخر تحللها و تحللها استهلاك لفترة أطول.
القانون الصفري للديناميكا الحرارية
يُعرف "قانون الصفر" بهذا الاسم على الرغم من أنه آخر ما تم تشغيله. يُعرف أيضًا باسم قانون التوازن الحراري، هذا المبدأ يفرض ما يلي: "إذا كان هناك نظامان في توازن حراري بشكل مستقل مع نظام ثالث ، يجب أن يكونوا أيضًا في حالة توازن حراري مع بعضهم البعض ". يمكن التعبير عنها منطقيًا على النحو التالي: إذا كانت A = C و B = C ، فإن A = B.
يسمح لنا هذا القانون بمقارنة الطاقة الحرارية لثلاثة أجسام مختلفة A و B و C. إذا كان الجسم A في حالة توازن حراري مع الجسم C (لهما نفس درجة الحرارة) وكان B أيضًا له نفس درجة حرارة C ، ثم A و ب لها نفس درجة الحرارة.
هناك طريقة أخرى لتوضيح هذا المبدأ وهي القول بأنه عندما يتلامس جسمان بدرجات حرارة مختلفة ، فإنهما يتبادلان الحرارة حتى تتعادل درجة حرارتهما.
من السهل العثور على أمثلة يومية لهذا القانون. عندما ندخل في الماء البارد أو الساخن ، سنلاحظ الفرق في درجة الحرارة فقط خلال الدقائق الأولى لأن جسمنا سيدخل بعد ذلك في توازن حراري معماء ولن نلاحظ الفرق بعد الآن. يحدث الشيء نفسه عندما ندخل غرفة حارة أو باردة: سنلاحظ درجة الحرارة في البداية ، ولكن بعد ذلك سنتوقف عن إدراك الفرق لأننا ندخل في حالة توازن حراري معها.