الديناميكا الحرارية: القوانين والمفاهيم والصيغ والتمارين

الديناميكا الحرارية هي أحد مجالات الفيزياء التي تدرس عمليات نقل الطاقة. يسعى إلى فهم العلاقات بين الحرارة والطاقة والعمل ، وتحليل كميات الحرارة المتبادلة والعمل المنجز في عملية فيزيائية.

تم تطوير علم الديناميكا الحرارية في البداية من قبل الباحثين الذين كانوا يبحثون عن طريقة لتحسين الآلات ، في فترة الثورة الصناعية ، وتحسين كفاءتها.

يتم تطبيق هذه المعرفة حاليًا في مواقف مختلفة من حياتنا اليومية. على سبيل المثال: الآلات الحرارية والثلاجات ومحركات السيارات وعمليات تحويل المعادن والمنتجات البترولية.

قوانين الديناميكا الحرارية

تتحكم القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية في كيفية عمل الحرارة والعكس صحيح.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

ال القانون الأول للديناميكا الحرارية يتعلق ب مبدأ الحفاظ على الطاقة. هذا يعني أن الطاقة في نظام لا يمكن تدميرها أو إنشاؤها ، بل يتم تحويلها فقط.

الصيغة التي تمثل القانون الأول للديناميكا الحرارية هي كما يلي:

كمية الحرارة والعمل وتغير الطاقة الداخلية لها كوحدة قياس قياسية للجول (J).

مثال عملي على الحفاظ على الطاقة هو عندما يستخدم الشخص مضخة لتضخيم جسم قابل للنفخ ، فإنه يستخدم القوة لضخ الهواء في الجسم. هذا يعني أن الطاقة الحركية تجعل المكبس ينزل. ومع ذلك ، يتم تحويل جزء من هذه الطاقة إلى حرارة تضيع في البيئة.

ال قانون هيس هي حالة خاصة لمبدأ الحفاظ على الطاقة. تعرف أكثر!

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

في نقل الحرارة تحدث دائمًا من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة ، يحدث ذلك تلقائيًا ، ولكن ليس العكس. وهو ما يعني أن عمليات نقل الطاقة الحرارية لا رجوع فيها.

بهذه الطريقة ، من خلال القانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن تحويل الحرارة بالكامل إلى شكل آخر من أشكال الطاقة. لهذا السبب ، تعتبر الحرارة شكلاً من أشكال الطاقة المتدهورة.

مثال على القانون الثاني للديناميكا الحرارية

الكمية المادية المتعلقة بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية هي غير قادر علي، والذي يتوافق مع درجة اضطراب النظام.

اقرأ أيضا:

• دورة كارنو
• التمدد الحراري

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

ال القانون الصفري للديناميكا الحرارية يتعامل مع شروط الحصول على التوازن الحراري. من بين هذه الشروط يمكننا أن نذكر تأثير المواد التي تجعل الموصلية الحرارية أعلى أو أقل.

وفقًا لهذا القانون ،

1. إذا كان الجسم أ في حالة توازن حراري على اتصال بجسم ب و
2. إذا كان هذا الجسم A في حالة توازن حراري على اتصال بجسم C ، إذن
3. B في حالة توازن حراري على اتصال مع C.

عندما يتلامس جسمان بدرجات حرارة مختلفة ، فإن الجسم الأكثر دفئًا سينقل الحرارة إلى الجسم الأكثر برودة. هذا يسبب درجات الحرارة لتصل إلى التوازن الحراري.

يطلق عليه قانون الصفر لأن فهمه أثبت أنه ضروري للقوانين الأولين الموجودين بالفعل ، القانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

ال القانون الثالث للديناميكا الحرارية يبدو كمحاولة لتأسيس نقطة مرجعية مطلقة تحدد الانتروبيا. الانتروبيا هو في الواقع أساس القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

استنتج والثر نرنست ، الفيزيائي الذي اقترحه ، أنه من غير الممكن أن يكون لمادة نقية بدرجة حرارة صفر إنتروبيا عند قيمة تقريبية للصفر.

لهذا السبب ، فهو قانون مثير للجدل ، يعتبره العديد من الفيزيائيين قاعدة وليس قانونًا.

أنظمة الديناميكا الحرارية

في النظام الديناميكي الحراري ، يمكن أن يكون هناك جسم واحد أو عدة أجسام مرتبطة ببعضها البعض. تمثل البيئة المحيطة به والكون البيئة الخارجية للنظام. يمكن تعريف النظام على أنه: مفتوح أو مغلق أو منعزل.

أنظمة الديناميكا الحرارية

عند فتح النظام ، يتم نقل الكتلة والطاقة بين النظام والبيئة الخارجية. في النظام المغلق ، لا يوجد سوى نقل الطاقة (الحرارة) ، وعندما يتم عزله لا يوجد تبادل.

سلوك الغازات

يمكن وصف وتفسير السلوك المجهري للغازات بسهولة أكبر من الحالات الفيزيائية الأخرى (السائلة والصلبة). لهذا السبب يتم استخدام الغازات أكثر من غيرها في هذه الدراسات.

في دراسات الديناميكا الحرارية ، يتم استخدام الغازات المثالية أو المثالية. إنه نموذج تتحرك فيه الجسيمات بشكل عشوائي وتتفاعل فقط في التصادمات. علاوة على ذلك ، يُعتبر أن هذه الاصطدامات بين الجزيئات ، وبينها وبين جدران الحاوية مرنة وتستمر لفترة قصيرة جدًا.

في النظام المغلق ، يفترض الغاز المثالي مسبقًا سلوكًا يتضمن الكميات الفيزيائية التالية: الضغط والحجم ودرجة الحرارة. تحدد هذه المتغيرات الحالة الديناميكية الحرارية للغاز.

سلوك الغازات حسب قوانين الغازات

الضغط (ع) ينتج عن حركة جزيئات الغاز داخل الحاوية. المساحة التي يشغلها الغاز داخل الحاوية هي الحجم (v). وترتبط درجة الحرارة (t) بمتوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز المتحركة.

اقرأ أيضا قانون الغاز و دراسة الغازات.

الطاقة الداخلية

الطاقة الداخلية للنظام هي كمية مادية تساعد في قياس كيفية حدوث التحولات التي يمر بها الغاز. هذا الحجم مرتبط بالتباين في درجة الحرارة والطاقة الحركية للجسيمات.

الغاز المثالي ، المكون من نوع واحد فقط من الذرات ، له طاقة داخلية تتناسب طرديًا مع درجة حرارة الغاز. يتم تمثيل ذلك بالصيغة التالية:

تمارين محلولة في الديناميكا الحرارية

السؤال رقم 1

تحتوي الأسطوانة ذات المكبس المتحرك على غاز عند ضغط 4.0.10⁴N / م². عندما يتم توفير 6 كيلو جول من الحرارة للنظام ، عند ضغط ثابت ، يتوسع حجم الغاز بمقدار 1.0.10^-1م³. تحديد العمل المنجز والتغيير في الطاقة الداخلية في هذه الحالة.

انظر للاجابة

الإجابة الصحيحة: الشغل المنجز 4000 J وتغير الطاقة الداخلية 2000 J.

البيانات:

ص = 4,0.10⁴ N / م²
س = 6KJ أو 6000J
ΔV = 1,0.10^-1 م³
تي =؟ ΔU =؟

الخطوة الأولى: احسب العمل باستخدام بيانات المشكلة.

T = P. ΔV
T = 4.0.10⁴. 1,0.10^-1
T = 4000 جول

الخطوة الثانية: احسب تباين الطاقة الداخلية بالبيانات الجديدة.

س = T + ΔU
ΔU = Q - T.

ΔU = 6000-4000
ΔU = 2000J

لذلك فإن الشغل المنجز هو 4000 جول وتغير الطاقة الداخلية 2000 ج.

السؤال 2

(مقتبس من ENEM 2011) لا يمكن للمحرك أداء العمل إلا إذا تلقى كمية من الطاقة من نظام آخر. في هذه الحالة ، يتم إطلاق الطاقة المخزنة في الوقود جزئيًا أثناء الاحتراق حتى يتمكن الجهاز من العمل. عند تشغيل المحرك ، لا يمكن استخدام بعض الطاقة المحولة أو المحولة في عملية الاحتراق للقيام بأي عمل. هذا يعني أن هناك تسربًا للطاقة بشكل آخر.

وفقًا للنص ، فإن تحولات الطاقة التي تحدث أثناء تشغيل المحرك ترجع إلى:

أ) من المستحيل إطلاق الحرارة داخل المحرك.
ب) العمل الذي يقوم به المحرك لا يمكن السيطرة عليه.
ج) التحويل الكامل للحرارة إلى العمل أمر مستحيل.
د) تحويل الطاقة الحرارية إلى حركية أمر مستحيل.
ه) استخدام الطاقة المحتمل للوقود لا يمكن السيطرة عليه.

انظر للاجابة

البديل الصحيح: ج) التحويل الكامل للحرارة إلى العمل مستحيل.

كما رأينا سابقًا ، لا يمكن تحويل الحرارة بالكامل إلى عمل. أثناء تشغيل المحرك ، يتم فقد جزء من الطاقة الحرارية ، ويتم نقله إلى البيئة الخارجية.

نرى أيضا: تمارين في الديناميكا الحرارية