الثرموديناميك هو فرع من الفيزياء، يصفُ كيفيّة تحول الطّاقة الحراريّة من وإلى أشكال أخرى من الطّاقة، وكيف تؤثرُ هذه الطّاقة الحراريّة في المادة.

في هذا المقال، سوف نتطرق لبعض المفاهيم المتعلقة بعلم الثرموديناميك..

أولاً: الطّاقة الحراريّة

هي الطّاقة الّتي يمتلكها جسم أو نظام بسبب درجة حرارته، ويمكن تعريفها بأنّها طاقة الجزيئات المتحركة أو الجزيئات الاهتزازيّة.

تقومُ الدّيناميكا الحراريّة على قياس هذه الطّاقة، والّتي يمكن أن تكون معقدة جداً.

وقال الدكتور ديفيد ماكي وهو أستاذُ في الفيزياء في جامعة ولاية ميسوري الجنوبيّة :

إنّ الأنظمة الّتي ندرسها في الدّيناميكا الحراريّة معقدة للغاية، إذ تضمُ أعداد كبيرة من الذّرات أو الجزيئات الّتي تتفاعلُ مع بعضها بطرق معقدة..

ولكن إذا كانت هذه الأنظمة متوازنة؛ فيمكن وصفها بعدد صغير من الأرقام ككتلة النّظام، حجم النّظام، ضغط النّظام وغيرها.

ثانياً: الحرارة

الحرارة هي الطاقة المنقولة بين المواد أو الأنظمة بسبب اختلاف درجة الحرارة بينهما، كما وتتحولُ إلى أشكال أخرى من الطّاقة

مثلاً: تحولُ التّوربينات البخاريّة الحرارة إلى طاقة حركيّة لتشغيل مولد، والّذي بدوره يحولُ الطّاقة الحركيّة إلى طاقة كهربائيّة.

كما ويحولُ المصباح الكهربائي الطّاقة الكهربائيّة إلى إشعاع كهرومغناطيسي (ضوء)، والّذي يُمتصُ بواسطة سطح ما، ويتحولُ مرة أخرى إلى حرارة.

خلال كلّ هذه العمليات، يُفقدُ جزء من الطّاقة بسبب الأنتروبي.

تعتمدُ كمية الحرارة المنقولة بواسطة مادة ما على سرعة وعدد ذرات أو جزيئات تلك المادة المتحركة

حيث كلما ازداد عدد وسرعة الذّرات أو الجزيئات المتحركة  ازدادت كمية الحرارة الّتي تنقلها.

درجةُ الحرارة:تعدّ درجة الحرارة مقياساً لمتوسط الطّاقة الحركيّة للجسيمات في عينة ما من المادة، ويتمّ التّعبير عنها بدرجات على مقاييس درجات الحرارة.

إنّ مقياس درجة الحرارة الأكثر استخداماً هو Celsius، والّذي يعتمدُ على نقاط التّجمد والغليان للماء، وهي 0 درجة مئوية و 100 درجة مئوية على التّوالي

وهذا يقابلُ 32 فهرنهايت و  212 فهرنهايت على التّوالي.

ثالثاً: الحرارةُ النّوعيّة

تُعرّف كمية الحرارة المطلوبة لزيادة درجة حرارة كتلة معينة من مادة ما بالحرارة النّوعيّة، أو السّعة الحراريّة.

إنّ الواحدة التّقليديّة للحرارة النّوعيّة هي السّعرات الحراريّة لكلّ جرام لكلّ كلفن.

تختلفُ الحرارة النّوعية من مادة إلى أخرى، إذ تعتمدُ في المعادن على عدد الذّرات في العينة والطّريقة الّتي ترتبطُ بها، وليس على كتلة العينة.

على سبيل المثال، يمكن أن يمتصَ كيلوغرام من الألمنيوم حوالي سبع مرات حرارة أكثر من كيلوغرام واحد من الرّصاص.

ويمكن لكتلة معينة من الماء أن تمتصَ حوالي خمسة أضعاف الحرارة الّتي تمتصها كتلة مساوية من الألمنيوم

وذلك بفضل القوى القويّة الّتي تربط جزيئات الماء.

رابعاً: الموصليّة الحراريّة

هي المعدل الّذي تمرُ به الحرارة عبر مقطع عرضيّ معين من مادة معينة، وواحدتها هي واط (W) لكلّ متر (م) لكلّ كلفن (K).

إنّ قيم الموصليّة الحراريّة للمعادن مثل النحاس والفضة مرتفعة نسبياً، وهي 380 و 420 W/m.k، على التّوالي.

تجعلُ هذه الخاصية من هذه المواد مفيدة لمشعات السّيارات وزعانف التّبريد لرقائق الكمبيوتر لأنّها توصلُ الحرارة بعيداً وتبددها للبيئة.

أعلى قيمة للموصليّة الحراريّة هي موصليّة الألماس 2200 W/m.k.

خامساً: المقاومة الحراريّة

هنالك مواد تكون موصلات رديئة للغاية للحرارة، ويشارُ إلى هذه الخاصية بالمقاومة الحراريّة R، وهي تصفُ معدل انتقال الحرارة عبر المادة.

تُستخدم هذه المواد، مثل الألياف الزّجاجيّة وزغب الأوز والسّتايروفوم، في عزل جدران المباني الخارجيّة وغيرها من التطبيقات.

ما هو قانون نيوتن للتبريد ؟

في عام 1701م، صرّح نيوتن لأوّل مرة عن قانون التّبريد الخاص به في مقال قصير بعنوان “Scala graduum Caloris”:

وينصُ على أنّ معدل تغير درجة الحرارة يتناسبُ مع الاختلاف بين درجة حرارة الجسم ودرجة حرارة البيئة المحيطة.

على سبيل المثال، إذا تمّ وضع جسم دافئ في حمام بارد لفترة زمنيّة معينة، فإنّ الفرق بين درجتي الحرارة سينخفضُ ​​بمقدار النّصف

ثمّ سينخفضُ ​​الفرق المتبقي مرة أخرى بمقدار النّصف خلال نفس الفترة الزّمنيّة

وسيستمرُ هذا التّقسيم المتكرر لفرق درجة الحرارة إلى النّصف على فترات زمنيّة متساوية حتّى يصبح أصغر من أن يتمّ قياسه…

عند هذه النّقطة، يكون النّظام في حالة توازن حراريّ.

سادساً: انتقال الحرارة

تنتقلُ الحرارة من جسم إلى آخر أو بين الجسم والبيئة بثلاث طرق مختلفة: التّوصيل، الحمل الحراريّ  والإشعاع.

• التّوصيل: في هذه الطّريقة تنتقلُ الطّاقة من خلال مادة صلبة، ويحدثُ بين الأجسام عندما تكون على اتصال مباشر، حيث تقومُ هذه الجزيئات بنقل طاقتها.
• الحمل الحراريّ: وفيه تنتقلُ الحرارة من / إلى وسط سائل، حيث تقومُ الجزيئات الموجودة في الغاز أو السّائل الملامس لجسم صلب بامتصاص أو بث الحرارة من أو إلى ذلك الجسم ثمّ تبتعد، مما يسمحُ لجزيئات السّائل الأخرى بالانتقال إلى مكانها، وتتكررُ العملية.
• الإشعاع: وفيه تنبعثُ الطّاقة عبر الإشعاع الكهرومغناطيسي (EM)، وخاصة فوتونات الأشعة تحت الحمراء التي تحمل الطاقة الحرارية، إذ تصدرُ جميع المواد بعض الإشعاعات الكهرومغناطيسيّة وتمتصها.

دورة كارنو:

في عام 1824م، اقترحَ Nicolas Léonard Sadi Carnot نموذجاً لمحرك حراري، أصبح يُعرف فيما بعد بدورة كارنو.

تقومُ هذه الدّورة على العلاقات بين ضغط الغازات وحجمها ودرجة حرارتها.

الأنتروبي

تولّدُ جميع أنظمة الدّيناميكا الحراريّة حرارة مهدرة، وينتجُ عن هذه الحرارة المهدورة زيادة في الأنتروبي، ودائماً ما يزداد الأنتروبي في أيّ نظام مغلق.

قال سيبال ميترا وهو أستاذُ في الفيزياء بجامعة ولاية ميسوري: “لا يمكنك تصنيع محرك فعّال بنسبة 100٪، مما يعني أنه لا يمكنك بناء آلة حركة دائمة..

ومع ذلك، هناك الكثير من الأشخاص الذين لا يصدقون ذلك، ولا يزالون يحاولون  تصنيع آلات دائمة الحركة”.

يمكن تعريف الأنتروبي على أنّه: “مقياس الاضطراب أو العشوائيّة في نظام مغلق”.

ما هي القوانين الأربعة في الثّرموديناميك ؟

تمّ التّعبير عن المبادئ الأساسيّة للديناميكا الحراريّة في ثلاثة قوانين، إلّا أنّه وفي وقت لاحق، اكتشفَ العلماء أنّ قانوناً أكثر جوهرية قد تمّ إهماله، لأنه قانون واضح جداً لدرجة أنه لم يكن بحاجة إلى ذكره.

أطلقَ على القانون الجديد “قانون Zeroth” ، وذلك وفقاً لكلية Saint Anselm.

فيما يلي القوانين الأربعة باختصار:

1- قانون زيروث: ينصُ قانون زيروث للديناميكا الحراريّة على أنه إذا كان جسمان في حالة توازن حراريّ مع جسم ثالث

فإنهما أيضاً في حالة توازن مع بعضهما البعض، وهذا يحددُ درجة الحرارة باعتبارها خاصية أساسيّة وقابلة للقياس للمادة.

2- القانون الأول للديناميكا الحرارية: ينصُ القانون الأوّل للديناميكا الحراريّة على أنّ الزّيادة الإجمالية في طاقة النّظام تساوي الزّيادة في الطّاقة الحراريّة بالإضافة إلى العمل المنجز.

وهذا يعني أنّ الحرارة هي شكل من أشكال الطّاقة، وبالتّالي فهي تخضع لمبدأ الحفظ، أيّ لا تخلق ولا تفنى من العدم.

3- القانون الثاني للديناميكا الحرارية: ينصُ القانون الثّاني للديناميكا الحراريّة على أنه لا يمكن نقل الطّاقة الحراريّة من جسم عند درجة حرارة منخفضة إلى جسم عند درجة حرارة أعلى دون إضافة طاقة

4- القانون الثالث للديناميكا الحرارية: ينصُ القانون الثّالث للديناميكا الحراريّة على أنّ إنتروبي البلورة الكاملة (أيّ مادة مكونة من ذرات مرتبة في نمط متماثل منظم تماماً) عند الصّفر المطلق هي صفر.

ذكرنا سابقاً أن الأنتروبي هي الطّاقة غير القادرة على القيام بعمل؛ وبما أنه لا توجد طاقة حراريّة على الإطلاق عند الصّفر المطلق، فلا يمكن أن تكون هناك طاقة مهدرة.

إنّ أيّ قيمة إيجابية لدرجة الحرارة تعني أن هناك حركة داخل البلورة، مما يسببُ فوضى وحركة.. لهذه الأسباب؛ إنّ الأنتروبي دائماً لها قيمة إيجابية.

ختاماً

تمّ تطوير علم الديناميكا الحراريّة على مدى قرون، وتنطبق مبادئه على كلّ جهاز مخترع حدّ الآن، ولا يمكن إهمال أهميته في التّكنولوجيا الحديثة.

المصدر: اضغط هنا

• إعداد: المهندسة أسماء حمود
• تحرير: المهندس بشار الحجي