Wلقد درست الحرارة والعمل كموضوعين منفصلين. ومع ذلك، في كثير من الأحيان، فإنها تحدث في وقت واحد. في محرك السيارة، على سبيل المثال، يتم حرق الوقود عند درجة حرارة عالية نسبيًا، ويتم استخدام بعض طاقته الداخلية للقيام بعمل دفع المكابس لأعلى ولأسفل، ويتم إزالة الحرارة الزائدة بواسطة نظام التبريد لمنع ارتفاع درجة الحرارة. الديناميكا الحرارية هي فرع من الفيزياء مبني على القوانين الأساسية التي تخضع لها الحرارة والشغل.

في الديناميكا الحرارية، يُطلق على مجموعة الأشياء التي يركز عليها الاهتمام اسم النظام، بينما يُطلق على كل شيء آخر في البيئة اسم البيئة المحيطة. على سبيل المثال، يمكن أن يكون النظام الموجود في محرك السيارة هو البنزين المحترق، في حين أن البيئة المحيطة ستشمل بعد ذلك المكابس، ونظام العادم، والمبرد، والهواء الخارجي. يتم فصل النظام والمناطق المحيطة به بجدران من نوع ما. تسمى الجدران التي تسمح بتدفق الحرارة من خلالها، مثل تلك الموجودة في كتلة المحرك، بالجدران العازلة للحرارة. تُعرف الجدران العازلة تمامًا التي لا تسمح بتدفق الحرارة بين النظام والمناطق المحيطة به بالجدران الأدياباتيكية.

لفهم ما تقوله قوانين الديناميكا الحرارية عن العلاقة بين الحرارة والشغل، من الضروري وصف الحالة الفيزيائية أو حالة النظام. قد نكون مهتمين، على سبيل المثال، بالهواء الساخن داخل أحد البالونات. سيكون الهواء الساخن نفسه هو النظام، ويوفر جلد البالون الجدران التي تفصل هذا النظام عن الهواء البارد المحيط به. سيتم تحديد حالة النظام من خلال إعطاء قيم لضغط وحجم ودرجة حرارة وكتلة الهواء الساخن.

هناك أربعة قوانين للديناميكا الحرارية. نبدأ بالقانون المعروف بالقانون الصفري ثم نفكر في الثلاثة الباقية.

يتعامل القانون الصفري للديناميكا الحرارية مع مفهوم التوازن الحراري. يقال إن نظامين في حالة توازن حراري إذا لم يكن هناك تدفق صافي للحرارة بينهما عند ملامستهما للحرارة. درجة الحرارة هي مؤشر التوازن الحراري، بمعنى أنه لا يوجد تدفق صافي للحرارة بين نظامين في اتصال حراري لهما نفس درجة الحرارة.

القانون الصفري للديناميكا الحرارية: نظامان منفردان في توازن حراري مع نظام ثالث في توازن حراري مع بعضهما البعض.

تمتلك ذرات وجزيئات المادة طاقة حركية وموضعية. تشكل هذه الأنواع وغيرها من الطاقة الجزيئية الطاقة الداخلية للمادة. عندما تشارك مادة ما في عملية تنطوي على طاقة في شكل شغل وحرارة، يمكن أن تتغير الطاقة الداخلية للمادة. تُعرف العلاقة بين الشغل والحرارة والتغيرات في الطاقة الداخلية بالقانون الأول للديناميكا الحرارية. سنرى الآن أن القانون الأول للديناميكا الحرارية هو تعبير عن حفظ الطاقة.

القانون الأول للديناميكا الحرارية: تتغير الطاقة الداخلية للنظام من قيمة أولية $U_i$ إلى القيمة النهائية $U_f$ بسبب الحرارة $Q$ والعمل $W$:

$$\Delta U = U_f - U_f = Q - W$$

$Q$ يكون موجبًا عندما يكتسب النظام الحرارة وسالبًا عندما يفقد الحرارة. $W$ يكون موجبًا عندما يتم العمل بواسطة النظام وسالبًا عندما يتم العمل على النظام.

العمليات الحرارية

يمكن للنظام أن يتفاعل مع محيطه بعدة طرق، والحرارة والشغل المؤثران يخضعان دائمًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية. سوف نقدم أربع عمليات حرارية شائعة. في كل حالة، يُفترض أن تكون العملية شبه ثابتة، مما يعني أنها تحدث ببطء كافٍ بحيث يوجد ضغط ودرجة حرارة موحدة في جميع مناطق النظام في جميع الأوقات.

العملية متساوية الضغط هي العملية التي تحدث عند ضغط ثابت.

هناك عملية حرارية شائعة أخرى وهي العملية المتساوية، والتي تحدث عند حجم ثابت.

العملية الحرارية الثالثة المهمة هي عملية متساوية الحرارة، وهي عملية تحدث عند درجة حرارة ثابتة.

وأخيرًا، هناك العملية الأديباتية، وهي عملية تحدث دون انتقال الحرارة.

العمليات الحرارية باستخدام الغاز المثالي

التوسع متساوي الحرارة أو ضغط الغاز المثالي:

$$ W = n R T \ln \left( \dfrac{V_f}{V_i} \right)$$

التوسع الأديابي أو ضغط الغاز المثالي أحادي الذرة:

$$ W = \frac{3}{2} n R \left( T_i - T_f \right)$$

القدرات الحرارية المحددة

يُستخدم القانون الأول للديناميكا الحرارية لفهم العوامل التي تحدد السعة الحرارية النوعية للمادة.

يذوب الآيس كريم عند تركه في يوم دافئ. علبة باردة من الصودا دافئة في يوم حار في نزهة. لا يصبح الآيس كريم والصودا أكثر برودة أبدًا عند تركهما في بيئة حارة، لأن الحرارة تتدفق دائمًا تلقائيًا من الساخن إلى البارد، ولا تنتقل أبدًا من البارد إلى الساخن. التدفق التلقائي للحرارة هو محور واحد من أعمق القوانين في كل العلوم، القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية: تتدفق الحرارة تلقائياً من المادة ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى المادة ذات درجة الحرارة المنخفضة ولا تتدفق تلقائياً في الاتجاه المعاكس.

المحركات الحرارية

المحرك الحراري هو أي جهاز يستخدم الحرارة لأداء العمل. لديها ثلاث ميزات أساسية:

1. يتم إمداد المحرك بالحرارة عند درجة حرارة دخل عالية نسبياً من مكان يسمى الخزان الساخن.

2. يتم استخدام جزء من الحرارة المدخلة لأداء العمل بواسطة المادة العاملة للمحرك، وهي المادة الموجودة داخل المحرك والتي تقوم بالفعل بالعمل (على سبيل المثال، خليط البنزين والهواء في محرك السيارة).

3. يتم إرجاع ما تبقى من الحرارة الداخلة إلى مكان يسمى الخزان البارد والذي تكون درجة حرارته أقل من درجة حرارة الدخل.

مبدأ كارنو ومحرك كارنو

ما الذي يسمح للمحرك الحراري بالعمل بأقصى قدر من الكفاءة؟ اقترح المهندس الفرنسي سادي كارنو (1796-1832) أن المحرك الحراري يتمتع بأقصى قدر من الكفاءة عندما تكون العمليات داخل المحرك قابلة للعكس. العملية العكسية هي العملية التي يمكن من خلالها إعادة النظام وبيئته إلى الحالة التي كانا عليها قبل حدوث العملية.

اليوم، فكرة أن كفاءة المحرك الحراري تصل إلى الحد الأقصى عندما يعمل المحرك بشكل عكسي يشار إليها بمبدأ كارنو.

الثلاجات ومكيفات الهواء والمضخات الحرارية

الميل الطبيعي للحرارة هو الانتقال من الساخن إلى البارد، كما يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومع ذلك، إذا تم استخدام العمل، يمكن جعل الحرارة تتدفق من البارد إلى الساخن، وهو ما يتعارض مع ميلها الطبيعي. الثلاجات ومكيفات الهواء والمضخات الحرارية هي في الواقع أجهزة تقوم بذلك. تستخدم هذه الأجهزة العمل لاستخراج الحرارة من الخزان البارد وترسيب الحرارة في الخزان الساخن. بشكل عام، تسمى هذه العملية بعملية التبريد.

إنتروبيا

القانون الثاني للديناميكا الحرارية من حيث الإنتروبيا:

لا تتغير الإنتروبيا الكلية للكون عندما تحدث عملية عكسية، وتزداد عندما تحدث عملية لا رجعة فيها.

يشير القانون الثالث للديناميكا الحرارية إلى أنه من المستحيل الوصول إلى درجة حرارة الصفر المطلق.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية: لا يمكن خفض درجة حرارة أي نظام إلى الصفر المطلق في عدد محدود من الخطوات.