قوانين الديناميكا الحرارية

من المؤكد أنك سمعت بمفهوم قوانين الديناميكا الحرارية. وهي معروفة أيضًا بمبادئ الديناميكا الحرارية. تشير هذه إلى أبسط الصيغ لهذا الفرع من الفيزياء. كأنه أبونا من حيث أساس كل شيء. إنها مجموعة من المواقف المعادلة المسؤولة عن وصف سلوك ما يسمى بالأنظمة الديناميكية الحرارية. هذه الأنظمة هي جزء من الكون معزول بطريقة نظرية لتكون قادرة على القيام بالدراسات وفهم كل ما يتعلق بالفيزياء الأساسية مثل درجة الحرارة والطاقة والإنتروبيا.

سنشرح في هذه المقالة كل ما تحتاج لمعرفته حول قوانين الديناميكا الحرارية.

قوانين الديناميكا الحرارية

هناك 4 قوانين للديناميكا الحرارية وهي مدرجة من صفر إلى ثلاثة ، تعمل هذه القوانين على فهم جميع القوانين الفيزيائية لكوننا بالإضافة إلى استحالة ظهور ظواهر معينة في عالمنا.

هذه القوانين لها أصول مختلفة. تمت صياغة بعضها من سابقاتها. آخر قانون معروف للديناميكا الحرارية هو قانون الصفر. هذه القوانين دائمة في جميع الدراسات والبحوث التي تجرى في المختبرات. إنها ضرورية لفهم كيفية عمل كوننا. سنقوم بوصف قوانين الديناميكا الحرارية واحدة تلو الأخرى.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

هذا القانون يقول ذلك لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها ، بل تتحول فقط. يُعرف هذا أيضًا باسم قانون الحفاظ على الطاقة. إنه يشير عمليًا إلى أنه في أي نظام فيزيائي معزول عن بيئته ، ستكون الطاقة بكاملها هي نفسها دائمًا. على الرغم من أن الطاقة يمكن أن تتحول بطريقة أو بأخرى إلى أنواع أخرى من الطاقات ، فإن مجمل كل هذه الطاقة هو نفسه دائمًا.

سنضرب مثالاً لفهمه بشكل أفضل. باتباع هذا المبدأ ، إذا قمنا بتوفير كمية معينة من الطاقة في شكل حرارة لنظام فيزيائي ، فيمكن حساب الكمية الإجمالية للطاقة من خلال إيجاد الفرق بين الزيادة في طاقتها الداخلية بالإضافة إلى العمل الذي يقوم به النظام في محيط. أي أن الفرق بين الطاقة التي يمتلكها النظام في ذلك الوقت والعمل الذي قام به سيكون هو الطاقة الحرارية التي يتم إطلاقها. ومع ذلك، إذا جمعنا كل الطاقة الإجمالية للنظام ، على الرغم من أن جزءًا منها قد تم تحويله إلى حرارة ، فإن المجموع الكلي للطاقة في النظام هو نفسه.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

ينص هذا القانون على ما يلي: بالنظر إلى الوقت الكافي ، ستميل جميع الأنظمة في النهاية إلى عدم التوازن. يُعرف هذا المبدأ أيضًا باسم قانون الانتروبيا. يمكن تلخيصها على النحو التالي. تميل كمية الانتروبيا الموجودة في الكون إلى الزيادة بمرور الوقت. إنتروبيا النظام هي التي تقيس درجة اضطرابها. أي أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يخبرنا أن درجة اضطراب الأنظمة تزداد بمجرد وصولها إلى نقطة التوازن. هذا أو يعني أنه إذا أعطينا وقتًا كافيًا لنظام سيحدث في النهاية اختلال في التوازن.

هذا هو القانون المسؤول عن شرح عدم رجوع بعض الظواهر الفيزيائية. على سبيل المثال، يساعدنا في توضيح سبب عدم إمكانية عودة الورق إلى شكله الأصلي. في هذا النظام المعروف بالورق والنار ، ازداد الفوضى لدرجة أنه لا يمكن العودة إلى أصلها. يقدم هذا القانون وظيفة حالة الانتروبيا ، والتي في حالة الأنظمة الفيزيائية تكون مسؤولة عن تمثيل درجة الفوضى وفقدانها الحتمي للطاقة.

كل هذا يعمل مع الانتروبيا ، ويربط درجة الطاقة التي لا يمكن أن يستخدمها النظام ، وبالتالي تُفقد في البيئة. يحدث هذا إذا كان تغييرًا في حالة التوازن. سيكون للدرجة الأخيرة من التوازن إنتروبيا أكثر من الأولى. ينص هذا القانون على أن التغيير في الانتروبيا سيكون دائمًا مساويًا أو أكبر من انتقال الحرارة مقسومًا على درجة حرارة النظام. تعتبر درجة الحرارة في هذه الحالة متغيرًا مهمًا لتحديد إنتروبيا النظام.

لفهم المبدأ الثاني للديناميكا الحرارية ، سنقدم مثالاً. إذا أحرقنا كمية معينة من المادة وقمنا بتجميع الكرة مع الرماد الناتج ، يمكننا أن نرى أن هناك مادة أقل مما كانت عليه في الحالة الأولية. وذلك لأن المادة أصبحت غازات لا يمكن استعادتها وتؤدي إلى التشتت والاضطراب. هذه هي الطريقة التي نرى بها أنه في الحالة الأولى كان هناك على الأقل إنتروبيا مقارنة بالحالة الثانية.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

ينص هذا القانون على ما يلي: عند الوصول إلى الصفر المطلق تتوقف عمليات الأنظمة الفيزيائية. الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة يمكن أن نكون عندها. في هذه الحالة ، نقيس درجة الحرارة بالدرجات بالكلفن. وبهذه الطريقة ، يُذكر أن درجة الحرارة والتبريد يتسببان في نقل إنتروبيا النظام إلى الصفر المطلق. في هذه الحالات يتم التعامل معها على أنها ثابتة محددة. عند الوصول إلى الصفر المطلق ، تتوقف عمليات الأنظمة الفيزيائية. لذلك ، سيكون للإنتروبيا قيمة دنيا ولكن ثابتة.

الوصول إلى الصفر المطلق أم لا أمر سهل. قيمة الصفر المطلق بدرجات كلفن هي صفر ولكن إذا استخدمناها في مقياس درجة الحرارة المئوية هو -273.15 درجة.

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

كان هذا القانون هو آخر قانون يتم تطبيقه ونصه على النحو التالي: إذا كان A = C و B = C ، فإن A = B. هذا يحدد المبادئ الأساسية والأساسية للقوانين الثلاثة الأخرى للديناميكا الحرارية. إنه ما يفترضه اسم قانون التوازن الحراري. بمعنى ، إذا كانت الأنظمة في حالة توازن حراري بشكل مستقل مع الأنظمة الأخرى ، فيجب أن تكون في حالة توازن حراري مع بعضها البعض. هذا القانون يجعل من الممكن تأسيس مبدأ درجة الحرارة. يعمل هذا المبدأ على مقارنة الطاقة الحرارية لجسمين مختلفين موجودان في التوازن الحراري مع بعضهما البعض. إذا كان لهذين الجسمين توازن حراري ، فسيكون غير ضروري عند نفس درجة الحرارة. من ناحية أخرى ، إذا قام كلاهما بتغيير التوازن الحراري بنظام ثالث ، فسيكونان أيضًا مع بعضهما البعض.

آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن قوانين الديناميكا الحرارية.