توازنحراري هي الحالة التي يجد فيها الجسم نفسه في نفسدرجة الحرارة من محيطهم. يُلاحظ أن جميع الأجسام التي تكون في درجات حرارة أعلى من جيرانها تميل إلى منحها الحرارة تلقائيًا حتى يبدأ كلاهما في إظهار نفس درجة الحرارة.
نظرةأيضا:أساسيات علم الحرارة
التوازن الحراري وقانون الصفر للديناميكا الحرارية
التوازن الحراري هو المفهوم المركزي وراء قانون الصفر للديناميكا الحرارية. ينص هذا القانون على أنه في حالة وجود نظامين ديناميكيين حراريين ، ال و ب، في حالة توازن حراري مع نظام ديناميكي حراري ثالث ، ج، ومن بعد، ال و ب سيكونون أيضًا في حالة توازن حراري.
في حالة التوازن الحراري ، يجب أن تكون درجات الحرارة النهائية لكل جسم متساوية: Tال = تب = تج
تحقق مما يؤسسه بيان قانون الصفر للديناميكا الحرارية:
“إذا كان جسمان في حالة توازن حراري مع جسم ثالث ، فسيكون هذان الجسمان في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض ".
طريقة أخرى لفهم التوازن الحراري تعتمد على الطاقة الداخلية للأجسام. الطاقة الداخلية ، أو ببساطة الطاقة الحرارية ، هي كمية فيزيائية مباشرةمتناسب à درجة الحرارة من الجسم. لذلك ، إذا كانت هناك أجسام ذات درجات حرارة مختلفة داخل نفس النظام الديناميكي الحراري ، فستكون لها وحدات مختلفة من الطاقة الداخلية وبالتالي ستنقل بعض تلك الطاقة بينهم حتى لا يوجد فرق بين طاقاتهم. داخلي. هل تريد معرفة المزيد عن ماهية الطاقة الداخلية وما هي خصائصها؟ الوصول إلى المقال:
الطاقة الداخلية.لا تتوقف الان... هناك المزيد بعد الإعلان ؛)
الحرارة والتوازن الحراري
يحدث انتقال الحرارة دائمًا بشكل عفوي ، من الجسم ذي أعلى درجة حرارة إلى الجسم مع أدنى درجة حرارة. يمكن أن يحدث هذا النقل للطاقة في شكل حرارة من خلال عمليات مثل القيادة, الحمل و إشعاع.
القيادة: إنه انتقال الحرارة بين الأجسام الذي يحدث بشكل خاص في المواد الصلبة. في هذا النوع من التوصيل ، لا تحدث أي عمليات نقل جماعية. يشرح هذا النوع من نقل الحرارة كيف يحدث التوازن الحراري في المعادن ، على سبيل المثال.
الحمل الحراري: إنه انتقال للحرارة يحدث في السوائل. في هذا النمط من نقل الحرارة ، هناك انتقال للكتلة ، حيث يتحرك المائع المسخن ، مكونًا تيارات الحمل حتى يصل كل السائل إلى التوازن الحراري.
إشعاع: هو انتقال الحرارة عبر الموجات الكهرومغناطيسية ، لذلك تحدث هذه العملية حتى لو لم يكن هناك وسط فيزيائي بين الجسم وجسم آخر عند درجات حرارة مختلفة. الحرارة المنقولة ، في هذه الحالة ، تعادل الموجات الكهرومغناطيسية بطاقة أقل من الضوء المرئي ، وبالتالي هو إشعاع حراري ، يقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء.
يقوم السائلان الموجودان في الشكل بنقل الحرارة إلى بعضهما البعض حتى تتساوى درجة حرارتهما.
هل تريد معرفة المزيد حول كيفية حدوث كل عملية من عمليات نقل الحرارة؟ الوصول إلى المقال: عمليات انتشار الحرارة.
حرارة معقولة
عندما يكون هناك فرقفيدرجة الحرارة بين جسدين ، أو بين الجسم ومحيطه ، سيكون هناك تبادل حراري بينهما بشكل تلقائي ، بحيث يكون يبرد الجسم ذو درجة الحرارة المرتفعة ، وتسخن الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة حتى تصل جميعها إلى درجة الحرارة في الرصيدحراري.
تسمى كمية الحرارة التي يتم تبادلها بين الأجسام عند درجات حرارة مختلفة حرارة معقولة ويمكن حساب هذا المبلغ من الصيغة الموضحة في الشكل أدناه:
س - الحرارة (الجير أو J)
م - الكتلة (جم أو كجم)
ç - حرارة محددة (كال / جمºC أو J / كجم. ك)
Δ ت - تغير درجة الحرارة (درجة مئوية أو كلفن)
في الصيغة الموضحة أعلاه ، من المهم إبراز عظمة الاسم حرارة نوعية. هذا الحجم يقيس كمية الطاقة لكل كتلة التي تحتاجها مادة ما لإنتاجها أو امتصاصها ، حتى تتغير درجة حرارتها بمقدار 1 درجة مئوية. في حالة الماء النقي ، على سبيل المثال ، وتحت ظروف الضغط العادي ، لتغيير درجة حرارته بمقدار 1 درجة مئوية ، يلزم 1.0 سعر حراري لكل جرام من الماء.
وبالتالي ، فإن جميع المواد التي أقامت اتصالًا حراريًا مع بعضها البعض تميل إلى الوصول إلى حالة الرصيدحراري ومع ذلك ، بمرور الوقت بشكل عفوي ، يحتاج البعض إلى قدر أكبر من الطاقة للقيام بذلك ، وهذا يؤثر بشكل مباشر على درجة الحرارة للوصول إلى التوازن الحراري.
اقرأأيضا:ما هي درجة الحرارة؟
الحرارة الكامنة
من الممكن أنه أثناء التبادل الحراري مع محيطه ، يُظهر الجسم ضغطًا ودرجة حرارة وحجمًا يجعله يخضع لتغيير في حالته الجسدية. تحدث هذه التغييرات في درجة الحرارةثابت (بالنسبة للأجسام المكونة من مادة واحدة ، بدون شوائب) ، أي على الرغم من تلقي الحرارة أو إعطائها للبيئة الخارجية ، فإن درجة حرارة هذه الأجسام لا تتغير.
هذا ممكن فقط لأن كل الطاقة المتبادلة ، في هذه الحالة ، تُستخدم لتغيير شكل جزيئاتك. من اللحظة التي يتم فيها "التغلب" على حاجز الطاقة ويصبح كل محتوى الجسم في حالة فيزيائية أخرى ، وهو يستمر الجسم في تبادل الحرارة مع محيطه ، ما لم تكن درجة حرارته بالطبع مساوية لدرجة الحرارة في الخارج.
ا الحرارة الكامنة يمكن حسابها من الصيغة الموضحة في الشكل أدناه ، تحقق منها:
س - الحرارة الكامنة (الجير أو J)
م - الكتلة (جم أو كجم)
إل - حرارة كامنة محددة (كال / جم أو جول / كجم)
صيغة التوازن الحراري
في حال أردنا معرفة ما هو ملف درجة الحرارةفيالرصيد لبعض الأنظمة الديناميكية الحرارية ، من الضروري أن نعتبر النظام المعني أ النظاممعزولأي يجب أن نفترض أنه لا يتم تبادل أي كمية من الحرارة مع أحياء هذا النظام.
من هذا الشرط يمكننا القول أن الكمية الكلية للحرارة المتبادلة يتم تبادلها فقط بين الهيئات المكونة لهذا النظام ، بغض النظر عن خسائر الحرارة لجدران الحاوية ، على سبيل المثال. في هذه الحالة ، نقول أن الحاوية بها الطاقة الحرارية مهمل ، أي أنه لا يمتص أي حرارة.
تخيل الوضع التالي: في كوب من الشاي الساخن ، مع سعة حرارية ضئيلة ، اسكب بعض مكعبات الثلج. من أجل تحديد درجة حرارة التوازن الحراري ، بالإضافة إلى معرفة الظروف الأولية للنظام ، يجب أن نضع بعض الاعتبارات:
سيتم امتصاص كل كمية الحرارة التي يعطيها الشاي الساخن للثلج بالكامل ، نظرًا لأن الكوب لديه سعة حرارية ضئيلة.
يجب أن نتجاهل فقد الحرارة في الهواء وأي محيط آخر ، بحيث يمكن فهم فنجان الشاي هذا على أنه نظام ديناميكي حراري مغلق.
بهذه الطريقة ، يمكننا إثبات أن كمية الحرارة الكاملة التي تلقاها الجليد قد تخلت عنها الشاي الساخن ، وبذلك كتبنا صيغتنا لحساب التوازن الحراري:
سص - استقبل الحرارة
سج - الحرارة المعطاة
الحرارة الواردة في (سج) ، يشير إلى كمية الحرارة التي ينقلها الشاي الساخن إلى مكعبات الثلج الموجودة فيه. بالفعل تلقت الحرارة (سص) هي كمية الحرارة التي تلقتها مكعبات الثلج هذه. هذه الكمية من الحرارة لها طبيعتان: الحرارة حساس و حار كامن، لأنه للدخول في التوازن الحراري ، من المرجح أن تذوب مكعبات الثلج.
تحديد درجة حرارة التوازن الحراري
لنحدد درجة حرارة التوازن الحراري من الحالة التالية:
كوب بسعة حرارية ضئيلة ، ويحتوي على 200 مل (200 جم) من الشاي عند درجة حرارة أولية 70 درجة مئوية ، ويتلقى 10 جم من الثلج عند درجة حرارة -10 درجة مئوية. حدد درجة حرارة التوازن الحراري للنظام (افترض أن الحرارة النوعية للشاي تساوي الحرارة النوعية للماء):
البيانات:
çماء = 1.0 كالوري / جم درجة مئوية
çجليد = 0.5 كال / جم درجة مئوية
إلجليد = 80 كالوري / غرام
أولاً ، نعتبر أن كل الحرارة التي يتلقاها الجليد قد نتجت عن الشاي:
بعد ذلك ، من الضروري تفصيل أشكال الحرارة التي تم إعطاؤها واستلامها:
شاي: أعطى الشاي حرارة معقولة فقط (سس) ، لأن حالته الجسدية لم تتغير.
جليد: كان الجليد في البداية عند -10 درجة مئوية ، لذلك تلقى حرارة معقولة (Qس) حتى درجة حرارة 0 درجة مئوية ، ثم تلقي الحرارة الكامنة (Qإل) للتسييل. بعد أن أصبح سائلاً ، تلقى حرارة كامنة (Qس) حتى يدخل في التوازن الحراري (TF) مع الشاي.
عند ترجمة ما تم تحليله أعلاه في شكل معادلة ، سيكون لدينا العملية الحسابية التالية لحلها:
من خلال استبدال البيانات المقدمة من التمرين في المعادلة الموجودة أعلاه ، سيتعين علينا حل الحساب التالي:
وفقًا للحسابات التي تم إجراؤها أعلاه ، يجب أن تكون درجة حرارة التوازن لنظام الشاي + الثلج حوالي 70.4 درجة مئوية.
تجربة التوازن الحراري
لاختبار التوازن الحراري بين جسمين ، يمكننا إجراء عدة تجارب. ومع ذلك ، فإن أبسطها يتضمن استخدام المسعر إنها ميزان الحرارة. المسعر عبارة عن حاوية ثابتة الحرارة (لا تسمح بمرور الحرارة) ، ذات سعة حرارية حولضئيلة، مثل وعاء مبطن بالستايروفوم ، على سبيل المثال ، وهو عازل حراري جيد.
يستخدم المسعر لقياس تغير درجة حرارة النظام بالداخل.
التوازن الحراري والحياة على الأرض
ا الرصيدحراري إنها تلعب دورًا أساسيًا في الحياة الأرضية. بدون وجود غازات الدفيئة في الغلاف الجوي للأرض ، فإن معظم الإشعاع الحراري من الكوكب سيتركه ، منتشرًا في الفضاء. بمرور الوقت ، قد يتسبب هذا في تبريد هائل عبر الكوكب ، مما يتسبب في تجمد المحيطات بمرور الوقت
بالإضافة إلى ذلك ، تلعب المحيطات دورًا رئيسيًا في الرصيدحراري من الكوكب. بحكم عظيم معكرونة و الحرارةمحدد، لقد وهبت المحيطات بضخامة الاهليةحراري أي أنهم بحاجة إلى تلقي كميات هائلة من الحرارة لتغيير درجة حرارتهم. لهذا السبب ، فهم قادرون على تنظيم درجة حرارة الكوكب بكفاءة عالية. تميل المناطق البعيدة عن المحيطات مع القليل من الماء إلى أن تكون كبيرة النطاقات الحرارية، كما في حالة الصحاري ، حيث تكون شديدة الحرارة نهاراً ومتجمدة ليلاً.
لذلك ، فإن الرصيدحراري إنها عملية ذات أهمية أساسية للحفاظ على العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية على الكوكب ، وبالتالي فهي ضرورية لوجود الحياة على الأرض.
بي. رافائيل هيلربروك
