تعريف الديناميكا الحرارية
تدرس الديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamics) العلاقة بين الحرارة والشغل وأشكال الطاقة الأخرى، وتُعنى بشكل خاص بوصف كيفية تحوّل الطاقة الحرارية من وإلى شكل آخر من الطاقة، كما تدرس كيفية تأثير الطاقة الحرارية على المادة، ويُمكن تعريفها على أنّها الطاقة التي تمتلكها المادة أو النظام بفعل درجة الحرارة، فهي طاقة الجزيئات المتحركة أو الإهتزازية للمادة.
ويجدر بالذكر أنّ الحرارة لم تكن تُعرّف كشكل من أشكال الطاقة حتّى عام 1798م، إذ لاحظ المهندس العسكري البريطاني بنيامين طومسون أنّه من الممكن توليد كمّيات غير محدودة من الحرارة في براميل المدفع، وأنّ الحرارة المتولّدة تتناسب مع مقدار الشغل المنجز، وقدّم بعدها المهندس العسكري الفرنسي سعدي كارنو مفهوم دورة المحرك الحراري ومبدأ الانعكاس في عام 1824م، وأخيراً طُوّرت المفاهيم الفيزيائية السابقة على يد العالم الألماني رودولف كلاوزيوس الذي صاغ قانوني الديناميكا الحرارية.
فروع الديناميكا الحرارية
تتفرّع الديناميكا الحرارية إلى 4 فروع رئيسية، وهي كالآتي:
- الديناميكا الحرارية الكلاسيكية: (بالإنجليزية: Classical Thermodynamics) وفيها يُحلّل سلوك المواد من خلال نهج مجهري مخبري، إذ تؤخذ الظروف مثل درجة الحرارة والضغط في الاعتبار، الأمر الذي يُساعد الفرد على التجربة، إذ من الممكن من حساب خصائص المادة الأخرى وقياسها بطريقة صحيحة ودقيقة.
- الديناميكا الحرارية الإحصائية: (بالإنجليزية: Statistical Thermodynamics) يُعنى هذا الفرع بفحص كلّ جزيء من جزيئات المادة بدقة وبشكل منفصل، حيث يُركّز على دراسة خصائص كلّ جزيء، والطرق التي تتفاعل فيها الجزيئات مع بعضها البعض، وذلك لمعرفة سلوك مجموعة من الجزيئات.
- الديناميكا الحرارية الكيميائية: (بالإنجليزية: Chemical Thermodynamics) وتعني دراسة العلاقات المختلفة بين الشغل المنجز والحرارة، حيث تدرس ترابطهما في التفاعلات الكيميائية وعند تغيّر حالة المواد.
- الديناميكا الحرارية للتوازن: (بالإنجليزية: Equilibrium Thermodynamics) تدرس هذه الديناميكا الحرارية تحوّلات الطاقة والمادة عندما تقترب من حالة التوازن.
خصائص الديناميكا الحرارية
تُعبّر الخاصية المادية في الديناميكا الحرارية عن أي خاصية قابلة للقياس، حيث يُمكن وصف حالة النظام المادي من خلال قيمتها، وتُقسّم خصائص الديناميكا الحرارية إلى فئتَين بشكل عام، وهما كما يأتي:
- الخصائص الشاملة: (بالإنجليزية: Extensive properties) تضمّ خصائص الديناميكا الحرارية التي تعتمد على مقدار الكتلة الموجودة في النظام، أو على حجم أو مدى النظام، ومن الأمثلة عليها: المحتوى الحراري، والقصور الحراري، والطاقة الحرّة لجيبس، والسعة الحرارية، والطاقة الداخلية، والكتلة، والحجم.
- الخصائص المكثفة: (بالإنجليزية: Intensive property) لا تعتمد الخصائص المكثفة على الكتلة، ومن المُمكن أن تختلف قراءاتها من مكان إلى آخر في أيّة لحظة، ومن الأمثلة عليها: القابلية للانضغاط، والكثافة، والسعة الحرارية المحدّدة، والمحتوى الحراري المُحدّد، والقصور الحراري المُحدّد، والضغط، ودرجة الحرارة، والتوصيل الحراري، والتمدد الحراري، وجودة البخار، والحجم النوعي.
الخصائص المحدّدة للمادة تُشتق من الخصائص الشمولية والخصائص المكثفة للمادة، حيث تُعدّ كثافة الماء مثلاً خاصية مكثفة، ومع هذا يُمكن اشتقاقها من خصائص شاملة؛ وذلك عن طريق قياس كتلة حجم الماء مقسوم على الحجم نفسه، إذ إنّ الكتلة والحجم من الخصائص الشاملة، ويُشار إلى أنّ الخصائص المحدّدة تُرتّب في جداول مرجعية كوسيلة لتسجيل بيانات المواد بطريقة مستقلة عن الحجم أو الكتلة، وتُستخدم لإجراء مقارنات حول خاصية واحدة مع إلغاء تأثير الاختلافات في الخصائص الأخرى.
قوانين الديناميكا الحرارية
تعتمد قوانين الديناميكا الحرارية على ثلاثة قوانين أساسية، وهي كالآتي:
- القانون الصفري: يُمثّل هذا القانون مبدأ التوازن الديناميكي الحراري، حيث يصف ميل طاقة النظام الداخلية إلى الانتشار بالتساوي في جميع أنحاء النظام، فإذا سُخّن مقدار من الماء مثلاً، فإنّ درجة حرارة كلّ الماء الموجودة في الإناء سترتفع إلى درجة حرارة واحدة على الرغم من أنّ الحرارة كانت واقعة على قاع الإناء فقط.
- القانون الأول: ويُسمّى أيضاً بقانون الحفاظ على الطاقة، ويُوضّح أنّ الطاقة داخل النظام لا تفنى ولا تُستحدث، ففي أيّ نظام تكون الطاقة الإجمالية له والتي تشمل الطاقة الحركية وطاقة الوضع الموجودة في النظام نفسه تساوي دائماً الشغل المُنجز مطروحاً من الحرارة المضافة إلى النظام.
- القانون الثاني: يُفسّر كيفية تقييد نقل الطاقة داخل النظام، فوِفقاً لهذا لقانون، من المستحيل نقل كلّ الطاقة المُتاحة من جزء معين من النظام إلى جزء آخر، حيث يُعرف الميل لفقدان الطاقة بالقصور الحراري أو الإنتروبيا، ففي محركات السيارات مثلاً، بغض النظر عن مدى كفاءتها يُهدر جزء من الطاقة الكامنة في البنزين في عملية الاحتراق بسبب الإنتروبيا.
تُوضّح الديناميكا الحرارية العلاقة بين الطاقة الحركية وطاقة الوضع للنظام مع كمية الحرارة والشغل الذي يُمكن للنظام إنتاجه، حيث يُعرف ذلك باسم النظرية الحركية للغازات، ومع ذلك، فإنّ هذه المفاهيم تنطبق بدرجات متفاوتة على المواد الصلبة والسائلة أيضاً، حيث يُمكن أن تنتقل الحرارة الناتجة عن حركة الجزيئات إلى جزئيات أخرى ومن ثمّ إلى أجزاء أخرى من المادة أو إلى مواد أخرى.
من أشكال انتقال الحرارة الذي يُمكننا تفسيره بقوانين الديناميكا الحرارية، التلامس الحراري؛ ويحدث عندما تُؤثّر مادتان على درجة حرارة بعضهما البعض، أو في حالة التوازن الحراري عندما لا تتبادل المواد الحرارة رغم تقاربهما، وفي حالة التمدد والتقلص الحراري، وذلك عندما يختلف حجم مادة ما باختلاف درجة حرارتها، وفي حالة التوصيل الحراري وهو حالة تدفّق الحرارة عبر مادة صلبة ساخنة، بالإضافة للحمل الذي تنتقل فيه الجزيئات الساخنة إلى مادة أخرى، وكذلك في الإشعاع والعزل.
