الديناميكا الحرارية أو التحريك الحراري (الثرموديناميك) تدرس خواص انتقال الشكل الحراري للطاقة وتحولاته إلى أوجه أخرى منها، مثل تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، أو تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، وتحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية٠
توازن حراري
يكون جسم ما في حالة توازن حراري عندما تكون درجة حرارته ثابتة٠
مثال: إذا كان لدينا كميتين من الماء، واحدة منها في درجة حرارة والأخرى في درجة حرارة مخالفة، وقمنا بخلطهما. يحدث توازن حراري في المخلوط بعد فترة زمنية قصيرة٠
درجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة جسم ما أو برودته، درجة حرارة جسم ما هي مؤشر على كمية الطاقة الحرارية التي يختزنها الجسم كما أنها مؤشر على مدى حركية ذراته حيث يمكن رياضياً إيجاد معادلة تصل بين الطاقة الحركية لجزيئات أو ذرات جسم ما ودرجة حرارته. هناك العديد من الوحدات لقياس درجة الحرارة مثل الكلفن (وهو المقياس المعتمد من قبل المنظومة العالمية) و السيلزيوس (وهو المقياس الرئيسي المعتمد في حياتنا اليومية) و الفهرنهايت (وهو المقياس المعتمد في الولايات المتحدة الأمريكية) وهي التي تحدد اتجاه انتقال الحرارة تلقائيا، إلا أنه ممكن استنفاذ شغل لنقلها في الاتجاه المعاكس٠
ـ يُشار إلى 0 سلزيوس أنه درجة الحرارة التي يتجمد الماء عندها (درجة الحرارة التي يبدأ الثلج عندها في الذوبان)٬ بينما يُشار 100 درجة سليزيوس إلى درجة غليان الماء عند مستوى سطح البحر٠
ـ الصفر المطلق هو 0 كلفن ويساوي ـ273.15 سليزيوس٠
ـ الصفر المطلق هي أقل ما يمكن أن تصل إليه إطلاقا درجة حرارة المادة٠ وتقضي بأن جميع ذرات أو جزيئات المادة تكون لها أقل طاقة (أقل عشوائية (أونتروبيا)) في تلك الحالة٠ وبإستعمال قانون الغازات المثالية فالصفر المطلق هي درجة الحرارة التي ينعدم عندها ضغط الغاز المثالي٠
النظام الديناميكي الحراري
هي جسم أو مجموعة من الأجسام المادية التي تتبادل الطاقة والمادة فيما بينها ، أو مع الوسط المحيط بها٠
أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية
ـ النظام المفتوح: هو الذي يحدث فيه انتقال للكتلة وانتقال للحرارة بين العينة والوسط المحيط٠
ـ النظام المغلق: هو الذي لا يحدث فيه انتقال للكتلة بين العينة والوسط المحيط، ولكن يمكن أن يحدث بينهما انتقال للحرارة٠
ـ النظام المعزول: هو الذي لا يحدث فيه انتقال للكتلة بين العينة والوسط المحيط، و لا يحدث فيه انتقال حرارة بين العينة والوسط المحيط٠
ـ النظام المفتوح: هو الذي يحدث فيه انتقال للكتلة وانتقال للحرارة بين العينة والوسط المحيط٠
ـ النظام المغلق: هو الذي لا يحدث فيه انتقال للكتلة بين العينة والوسط المحيط، ولكن يمكن أن يحدث بينهما انتقال للحرارة٠
ـ النظام المعزول: هو الذي لا يحدث فيه انتقال للكتلة بين العينة والوسط المحيط، و لا يحدث فيه انتقال حرارة بين العينة والوسط المحيط٠
نظام متجانس
التجانس في الفيزياء والكيمياء هو تساوي التكوين و الخواص عند جميع نقط نظام بأكمله٠
مثال: ذوبان الملح في الماء٠ نظرا للذوبان الكامل للملح في الماء يكون المخلوط متجانسا. أما عند مصب الأنهار في البحر فلا تكون العينات المختلفة البعيدة عن بعضها متجانسة٠
يكون جسم ما في حالة توازن حراري عندما تكون درجة حرارته ثابتة٠
مثال: إذا كان لدينا كميتين من الماء، واحدة منها في درجة حرارة والأخرى في درجة حرارة مخالفة، وقمنا بخلطهما. يحدث توازن حراري في المخلوط بعد فترة زمنية قصيرة٠
الحرارة و خصائصها
الحرارة هي إحدى صور الطاقة وتنتقل من نقطة لأخرى أو من جسم لآخر نتيجة للاختلاف في درجة حرارة الجسمين، وتقاس كمية الحرارة بوحدة الطاقة وهي الجول٠و أهم الخصائص الحراريةو أهم الخصائص الحرارية
درجة الحرارة د، الضغط ض، الحجم ح، طاقة داخلية طا، العشوائية (الانتروبيا) عا، السخانة (الانتالبيا) سا، السرعة، العلو،...٠
خاصية مكثفة وخاصية شمولية
كمية مكثفة أو خاصية مكثفة هي خاصية فيزيائية لنظام لا تعتمد على حجم النظام ولا على كمية المادة به٬ أمثلة (الكثافة٬ درجة الحرارة٬ الضغط، ....)٠
وأما الكمية الشمولية أو الخاصية الشمولية هي خاصية فيزيائية لنظام تتناسب مع كمية المادة به٬ أمثلة (الكتلة٬ الحجم٬ الطاقة، ....)٠
دالة حالة
دالة حالة في الدينامكا الحرارية هي إحدى خواص نظام ديناميكي حراري التي تعتمد فقط على الحالة الأولية والنهائية للتحول بصرف النظر على مسار النظام حتى إنتقل من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية٠ مثل الحجم، والضغط، و الطاقة الداخلية للنظام ، و انتالبيا النظام ، و انتروبيا النظام، و درجة الحرارة٠
وبالعكس ، فإن حرارة النظام (الطاقة الحرارية) و الشغل الميكانيكي الذي يؤديه النظام فتلك دوال مسار حيث تعتمد قيمتها على مسار النظام٠
الحرارة هي إحدى صور الطاقة وتنتقل من نقطة لأخرى أو من جسم لآخر نتيجة للاختلاف في درجة حرارة الجسمين، وتقاس كمية الحرارة بوحدة الطاقة وهي الجول٠و أهم الخصائص الحراريةو أهم الخصائص الحرارية
درجة الحرارة د، الضغط ض، الحجم ح، طاقة داخلية طا، العشوائية (الانتروبيا) عا، السخانة (الانتالبيا) سا، السرعة، العلو،...٠
خاصية مكثفة وخاصية شمولية
كمية مكثفة أو خاصية مكثفة هي خاصية فيزيائية لنظام لا تعتمد على حجم النظام ولا على كمية المادة به٬ أمثلة (الكثافة٬ درجة الحرارة٬ الضغط، ....)٠
وأما الكمية الشمولية أو الخاصية الشمولية هي خاصية فيزيائية لنظام تتناسب مع كمية المادة به٬ أمثلة (الكتلة٬ الحجم٬ الطاقة، ....)٠
دالة حالة
دالة حالة في الدينامكا الحرارية هي إحدى خواص نظام ديناميكي حراري التي تعتمد فقط على الحالة الأولية والنهائية للتحول بصرف النظر على مسار النظام حتى إنتقل من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية٠ مثل الحجم، والضغط، و الطاقة الداخلية للنظام ، و انتالبيا النظام ، و انتروبيا النظام، و درجة الحرارة٠
وبالعكس ، فإن حرارة النظام (الطاقة الحرارية) و الشغل الميكانيكي الذي يؤديه النظام فتلك دوال مسار حيث تعتمد قيمتها على مسار النظام٠
الطاقة الداخلية
الطاقة الداخلية هي مجموع الطاقات الذاتية التي تخص نظام ديناميكي حراري، وتمثل هذه الطاقة الداخلية مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية للذرات والجزيئات ضمن النظام، كالطاقة الكيميائية (المختزنة في الروابط الكيميائية) و الطاقة النووية (الموجودة في نوى الذرات)٠ وهي تقسم إلى جزئين طاقة الوضع وطاقة الحركة٠
خصائص الطاقة الداخلية
ـ دالة حالة شمولية
ـ محفوظة (لا تتغير) في أي نظام معزول٠
عندما نقوم بدراسة نظام ديناميكي حراري (نظام ترموديناميكي) فمن الصعب حساب جميع أنواع الطاقات الداخلية٠
ونقتصر على خواص النظام المعتمدة على حجم النظام ، و كمية المادة به والضغط و درجة الحرارة٠
تهمنا الطاقة الداخلية لنظام في الديناميكا الحرارية (الترموديناميكا) لأنها تمكننا من حساب كفاءة عمل الآلات ، مثل محرك الاحتراق الداخلي٠
السخانة (الانتالبيا)، القانون الأول للديناميكا الحرارية٠
السخانة (الانتالبيا) هي مقياس للطاقة الكلية لنظام ديناميكي حراري للحصول على حجمه وضغطه في الوسط المحيط به٠ تتكون السخانة لنظام ما من طاقته الداخلية و الشغل الناشئ عن تغير حجمه٠
السخانة دالة حالة شمولية٠
سا موجب الإشارة : تفاعل يمتص الحرارة٠ Δ
سا سالب الإشارة : تفاعل طارد للحرارة ٠ Δ
حيث
سا التغير في السخانة Δ
القانون الأول للديناميكا الحرارية للنظام المغلق
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن: "الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل إلى آخر"٠
طا = شا + حا Δ
حيث
طا التغير في الطاقة الداخلية Δ
حا الحرارة التي يكتسبها النظام
شا الشغل الذي يؤديه النظام
القصور الحراري (الانتروبيا)، قانون الديناميكا الحراري الثاني٠
تُبين التجربة أن بعد إزالة الحائل يشغل الغاز الحجم بالكامل. وبذلك تزيد العشوائية في النظام، أي زيادة هرجلة الذرات٠
القصور الحراري (الانتروبيا) دالة حالة شمولية٠
قانون الديناميكا الحراري الثاني
يؤكد القانون الثاني على أن العملية الطبيعية تسير في اتجاه واحد وليست انعكاسية٠ فعلى سبيل المثال تسير الحرارة تلقائيا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد وليس العكس إذا لم يؤثر شغل خارجي على النظام٠
أي تحول حقيقي في نظام ديناميكي حراري يكون مصحوب بخلق للعشوائية (الانتروبيا)٠
السخانة (الانتالبيا)، القانون الأول للديناميكا الحرارية٠
السخانة (الانتالبيا) هي مقياس للطاقة الكلية لنظام ديناميكي حراري للحصول على حجمه وضغطه في الوسط المحيط به٠ تتكون السخانة لنظام ما من طاقته الداخلية و الشغل الناشئ عن تغير حجمه٠
السخانة دالة حالة شمولية٠
سا موجب الإشارة : تفاعل يمتص الحرارة٠ Δ
سا سالب الإشارة : تفاعل طارد للحرارة ٠ Δ
حيث
سا التغير في السخانة Δ
القانون الأول للديناميكا الحرارية للنظام المغلق
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن: "الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل إلى آخر"٠
طا = شا + حا Δ
حيث
طا التغير في الطاقة الداخلية Δ
حا الحرارة التي يكتسبها النظام
شا الشغل الذي يؤديه النظام
القصور الحراري (الانتروبيا)، قانون الديناميكا الحراري الثاني٠
القصور الحراري (الانتروبيا) دالة حالة شمولية٠
قانون الديناميكا الحراري الثاني
يؤكد القانون الثاني على أن العملية الطبيعية تسير في اتجاه واحد وليست انعكاسية٠ فعلى سبيل المثال تسير الحرارة تلقائيا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد وليس العكس إذا لم يؤثر شغل خارجي على النظام٠
أي تحول حقيقي في نظام ديناميكي حراري يكون مصحوب بخلق للعشوائية (الانتروبيا)٠
الغاز المثالي
الغاز المثالي نموذج ديناميكي حراري لتصرف الغازات تحت ضغط منخفض٠
فالغاز المثالي هو غاز افتراضي لتسهيل التعامل مع الغازات الحقيقية في الديناميكا الحرارية٠
قانون الغاز المثالي
الغاز المثالي نموذج ديناميكي حراري لتصرف الغازات تحت ضغط منخفض٠
فالغاز المثالي هو غاز افتراضي لتسهيل التعامل مع الغازات الحقيقية في الديناميكا الحرارية٠
قانون الغاز المثالي
ض ح = ن ر د
حيث
ض: ضغط الغاز
ح: حجم الغاز
ن: عدد المولات في الغاز
ر: ثابت الغازات العام
د: درجة الحرارة المطلقة
خاصّيات مميّزة للمواد
معامل الانضغاط
معامل الانضغاط مع ثبات درجة الحرارة في الديناميكا الحرارية هو مقدار تغير حجم سائل أو مادة صلبة عند زيادة الضغط عليه مع ثبات درجة الحرارة٠
معامل التمدد
معامل التمدد مع ثبات الضغط في الديناميكا الحرارية هو مقدار تغير حجم سائل أو مادة صلبة عند زيادة الحرارة عليه مع ثبات الضغط٠
السعة الحرارية
السعة الحرارية هي قيمة الطاقة الحرارية التي يجب إمداد جسم أو نظام ما بها لرفع درجة حرارته درجة مئوية واحدة٠
وحدة السعة الحرارية هي الجول لكل كلفن٠
ـ السعة الحرارية عند حجم ثابت في الديناميكا الحرارية هو مقدار تغير الطاقة الداخلية للمادة بتغير درجة الحرارة مع ثبات الحجم٠
ـ السعة الحرارية عند ضغط ثابت في الديناميكا الحرارية هو معدل تغير الطاقة السخانة للمادة بتغير درجة الحرارة مع ثبات الضغط٠
حيث
ض: ضغط الغاز
ح: حجم الغاز
ن: عدد المولات في الغاز
ر: ثابت الغازات العام
د: درجة الحرارة المطلقة
خاصّيات مميّزة للمواد
معامل الانضغاط
معامل الانضغاط مع ثبات درجة الحرارة في الديناميكا الحرارية هو مقدار تغير حجم سائل أو مادة صلبة عند زيادة الضغط عليه مع ثبات درجة الحرارة٠
معامل التمدد
معامل التمدد مع ثبات الضغط في الديناميكا الحرارية هو مقدار تغير حجم سائل أو مادة صلبة عند زيادة الحرارة عليه مع ثبات الضغط٠
السعة الحرارية
السعة الحرارية هي قيمة الطاقة الحرارية التي يجب إمداد جسم أو نظام ما بها لرفع درجة حرارته درجة مئوية واحدة٠
وحدة السعة الحرارية هي الجول لكل كلفن٠
ـ السعة الحرارية عند حجم ثابت في الديناميكا الحرارية هو مقدار تغير الطاقة الداخلية للمادة بتغير درجة الحرارة مع ثبات الحجم٠
ـ السعة الحرارية عند ضغط ثابت في الديناميكا الحرارية هو معدل تغير الطاقة السخانة للمادة بتغير درجة الحرارة مع ثبات الضغط٠
تذكير
الطاقة الحرارية
عندما تكتسب المادة حرارة ترتفع طاقة الحركة لجزيئاتها وتظهر في صورة طاقة حرارية ، وتخفض افتقاد جسم للحرارة من طاقة حركة جزيئاته. فالطاقة الحرارية هي طاقة حركية وتلك الحركة تظهر كحركة عشوائية لجزيئات المادة في الغازات والسوائل ، وحركة اهتزازية للشبكة البلورية للمادة الصلبة وينقلها ما يسمى فوتون٠
تعرف الطاقة الحرارية لمادة ما بالمعادلة
حا = ك ن د
حيث
ن الحرارة النوعية
م الكتلة
د درجة الحرارة المطلقة ، (كلفن )٠
الحرارة النوعيّة هي كميّة الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام من المادة درجةً مئويةً واحدة. ووحداتها في النظام الدولي هي (جول/كيلوجرام/كلفن) أو جول / (كجم . كلفن)٠
أمثلة
الحرارة النوعية لبعض المواد
الماء 4180 جول / (كجم . كلفن)٠
4180 جول هي الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كيلوجرام من الماء درجة واحدة كلفينية٠
زيت الزيتون 1971 جول / (كجم . كلفن)٠
نحاس 389 جول / (كجم . كلفن)٠
الذهب 125 جول / (كجم . كلفن )٠
تفسير
ــ سبب اختلاف الحرارة النوعية من مادة إلى أخرى يعود إلى مدى تراص وترابط ذرات المادة ومن ثم قدرتها على توصيل الحرارة٠
ــ إذا أخذنا كتلتين متساويتين من الماء و الزيت وقمنا بتسخين كل منهما لفترة متساوية بنفس اللهب فإننا نلاحظ بعد فترة أن درجة الحرارة الماء تكون أقل بكثير من درجة حرارة الزيت وهذا يعنى أن للماء سعة حرارية أكبر من السعة الحرارية للزيت. ولذلك نقول أن الحرارة النوعية للماء أكبر من الحرارة النوعية للزيت٠
التحول الطوري
الحرارة الكامنة
الحرارة الكامنة هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير حالة 1 كيلوجرام من المادة من حالة إلى أخرى دون تغيير في درجة الحرارة (مثل تحول الماء إلى بخار)٠
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق