شرح القانون الأول في الديناميكا الحرارية

القانون الأول في الديناميكا الحرارية

ينص القانون الأول في الديناميكا الحرارية على أن الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة ، وبالتالي تخضع لقانون حفظ الطاقة الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تخلق من العدم وإنما تتحول من شكل إلى آخر، أي أن الطاقة الكلية للنظام تظل ثابتة، ويُعتبر القانون الأول في الديناميكا الحرارية امتداد لقانون حفظ الطاقة، وهناك أمثلة عديدة في حياتنا اليومية توضح هذه الظاهرة، فمثلًا الطاقة الحركية في السيارة (الطاقة الحركية: هي الطاقة التي يمتلكها الجسم عندما يتحرك)، تتحول إلى طاقة حرارية عندما يضغط السائق على الفرامل لإبطاء حركة السيارة.

شرح معادلة القانون الأول للديناميكا الحرارية

يربط القانون الأول للديناميكا الحرارية الأشكال المختلفة للطاقة مثل (الطاقة الحركية والطاقة الكامنة) في نظام ما، بالشغل الذي يمكن للنظام أن يؤديه، وبنقل الحرارة ، مثلًا عندما تنزلق كتلة إلى أسفر المنحدر ، يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية ، وعندما يؤدي الاحتكاك إلى إبطاء حركة الكتلة حتى تتوقف ، يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية ، أي أن الطاقة يتم تغيرها من شكل إلى آخر،ووفقا لهذا القانون يمكن التعبير عن القانون الأول للديناميكا الحرارية بالصيغة الرياضية التالية:

ΔQ = ΔU W

حيث إن:

ΔQ هي الحرارة المعطاة أو المفقودة في النظام.

ΔU هو التغير في الطاقة الداخلية للنظام.

W هو العمل المنجز في النظام.

ويمكننا أيضاً تمثيل المعادلة على النحو التالي:

ΔU = ΔQ - W

مثال على معادلة القانون الأول للديناميكا الحرارية:

المثال: قم بحساب التغير في الطاقة الداخلية للنظام ( ΔU) إذا أضيفت حرارة إلى النظام بمقدام Q) 3000 J) ، وأثر على النظام بعمل مقداره W) 2500 J).

الحل: ستكون إشارة الW موجبة لأن العمل أُدخل على النظام ، وإشارة Q موجبة لأن الحرارة أضيفت إلى النظام ،

ΔU = ΔQ - W

ΔU = 3000 - 2500

ΔU = 500 J

الطاقة الداخلية للنظام = 500 J

أمثلة من الحياة اليومية على القانون الأول للديناميكا الحرارية

هناك العديد من الأمثلة على القانون الأول للديناميكا الحرارية، وتوضح النقاط التالية بعض الأمثلة:

• المصباح الكهربائي: عندما يتم توصيل المصباح الكهربائي بمصدر كهرباء يتم تحويل الطاقة الكهربائية الموجودة في أسلاك المصباح إلى حرارة مما يجعل السلك شديد الحرارة فيبدأ بالتوهج وبالتالي يمكننا رؤية الضوء ، أي يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وطاقة ضوئية.
• عملية التمثيل الضوئي: تتم عملية التمثيل الضوئي بواسطة النباتات وبعض الكائنات الحية الأخرى ، حيث تقوم بتحويل الطاقة الضوئية القادمة من الشمس إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة أي إلى طاقة كيميائية ، ومن ثم تحصل الحيوانات آكلة الأعشاب على هذه الطاقة عن طريق تناول النباتات ، وتحصل عليها الحيوانات آكلة اللحوم عن طريق أكل الحيوانات العاشبة ، وخلال هذه العمليات لانتقال الطاقة يتم كسب وفقد الطاقة الحرارية داخل النظام.
• عمليات التمثيل الغذائي: عمليات التمثيل الغذائي هي تفاعلات كيميائية تحدث في الكائنات الحية وغالبًا ما تنطوي على توليد الحرارة ، إن الطعام المتناول يتحول إلى مصدر للطاقة داخل الجسم ويتم تحويله إلى طاقة كيميائية تخزن بالجسم ، حيث يتم استخدام هذه الطاقة المخزنة وتحويلها إلى طاقة حركية عند القيام بأي نشاط حركي أو رياضي ، حيث يعتمد التمثيل الغذائي على عمليتي الهدم والبناء التي تحدث داخل الجسم ، وأن عملية الهدم (Catabolism) تنتج طاقة وعملية البناء (Anabolism) تتطلب الطاقة ، وبالتالي فإن قوانين الديناميكا الحرارية تنطبق على التمثيل الغذائي.

أنظمة الديناميكا الحرارية

إن النظام الديناميكي الحراري عادة جزء لا يتجزأ من البيئة المحيطة ، حيث يمكن للنظام تبادل الحرارة مع البيئة المحيطة ، ويمكن للبيئة المحيطة إضافة عمل على النظام ، على سبيل المثال إذا قمنا بالنظر إلى محرك السيارة، فإن البنزين المحترق داخل أسطوانة المحرك هو النظام الديناميكي الحراري ، بحيث يشكل المكبس ونظام العادم والراديتر والهواء الخارجي محيط النظام،وتُقسم أنظمة الديناميكا الحرارية عادة إلى:

• أنظمة مفتوحة (Open system): يتبادل النظام المفتوح بحرية كلا من الطاقة والمادة مع الوسط المحيط.
• أنظمة مغلقة (Closed system): يمكن للنظام المغلق أن يتبادل الطاقة مع محيطه فقط ولا يمكنه تبادل المادة مع محيطه.
• أنظمة معزولة (Isolated system): هو النظام الذي لا يمكنه تبادل المادة أو الطاقة مع محيطه.