ما هي الديناميكا الحرارية؟
تُعنى الديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamics) بدراسة العلاقات بين الحرارة والشغل وأشكال الطاقة الأخرى. تركز بشكل خاص على كيفية انتقال الطاقة الحرارية من شكل إلى آخر، بالإضافة إلى تأثير الطاقة الحرارية على المادة. يمكن تعريف الديناميكا الحرارية على أنها الطاقة المتواجدة في المادة أو النظام نتيجة درجة الحرارة، حيث تعكس طاقة حركة أو اهتزاز الجزيئات.
من الجدير بالذكر أن مفهوم الحرارة كمصدر للطاقة لم يظهر حتى عام 1798. في ذلك الوقت، لاحظ المهندس العسكري البريطاني بنيامين طومسون إمكانية توليد كميات غير محدودة من الحرارة باستخدام براميل المدافع، وأن الحرارة المتولدة تتناسب طردياً مع مقدار الشغل المنجز. فيما بعد، قدم المهندس الفرنسي سعدي كارنو مفهوم الدورة الحرارية ومبدأ الانعكاس في عام 1824. وتطورت هذه المفاهيم على يد العالم الألماني رودولف كلاوزيوس الذي صاغ قوانين الديناميكا الحرارية.
أقسام الديناميكا الحرارية
تنقسم الديناميكا الحرارية إلى أربعة فروع رئيسية، هي:
- الديناميكا الحرارية الكلاسيكية (بالإنجليزية: Classical Thermodynamics): تدرس سلوك المواد من خلال التحليل الدقيق في ظروف معينة مثل درجة الحرارة والضغط، مما يساعد في إجراء تجارب توفر قياسات دقيقة للخصائص المادية.
- الديناميكا الحرارية الإحصائية (بالإنجليزية: Statistical Thermodynamics): تركز على دراسة كل جزيء على حدة، وتحليل خصائص الجزيئات والتفاعلات فيما بينها لفهم سلوكيات المجموعات الجزيئية.
- الديناميكا الحرارية الكيميائية (بالإنجليزية: Chemical Thermodynamics): تدرس العلاقة بين الشغل المنجز والحرارة في سياق التفاعلات الكيميائية وتغير حالات المواد.
- الديناميكا الحرارية للتوازن (بالإنجليزية: Equilibrium Thermodynamics): تبحث في عمليات تحول الطاقة والمادة عندما تقترب من حالة التوازن.
خصائص الديناميكا الحرارية
تعبر الخصائص المادية في الديناميكا الحرارية عن أي خاصية يمكن قياسها، حيث يمكن من خلالها وصف حالة النظام المادي. تُقسم خصائص الديناميكا الحرارية إلى فئتين رئيسيتين:
- الخصائص الشاملة (بالإنجليزية: Extensive properties): تلك التي تعتمد على كمية المادة في النظام، مثل المحتوى الحراري والقصور الحراري والطاقة الحرة لجيس، السعة الحرارية، والطاقة الداخلية، والكتلة، والحجم.
- الخصائص المكثفة (بالإنجليزية: Intensive properties): لا تعتمد على الكتلة، ويمكن أن تتغير من مكان لآخر، وتشمل القابلية للانضغاط، والكثافة، والسعة الحرارية المحددة، والمحتوى الحراري المحدد، والضغط، ودرجة الحرارة، والتوصيل الحراري، والتمدد الحراري.
يمكن اشتقاق الخصائص المحددة من الخصائص الشاملة والمكثفة. على سبيل المثال، بينما تُعتبر كثافة الماء خاصية مكثفة، يمكن اشتقاقها من الخصائص الشاملة من خلال قياس الكتلة على حجم الماء. يتم تنظيم الخصائص المحددة في جداول مرجعية لتسهيل مقارنة البيانات بدون الاعتماد على الحجم أو الكتلة.
قوانين الديناميكا الحرارية
تستند الديناميكا الحرارية إلى ثلاثة قوانين أساسية، وهي:
- القانون الصفري: يُمثل مبدأ التوازن الديناميكي الحراري، حيث يصف كيف تتوزع طاقة النظام الداخلية بشكل متساوٍ داخل النظام. وبالتالي، إذا سُخن مقدار من الماء، فإن درجة حرارة الماء بأكمله سترتفع إلى مستوى موحد.
- القانون الأول: المعروف بقانون الحفاظ على الطاقة، يشير إلى أن الطاقة لا تُخلق ولا تفنى، إلا أنها تتحول من شكل إلى آخر، حيث تساوي الطاقة الكليّة في النظام دائماً الشغل المنجز مطروحاً منه الحرارة المكتسبة.
- القانون الثاني: يبين حدود نقل الطاقة بين أجزاء النظام، حيث من المستحيل نقل كل الطاقة المتاحة من جزء معين إلى جزء آخر، والمعروف بفقدان الطاقة نتيجة الإنتروبيا. على سبيل المثال، في محركات السيارات، يُهدر جزء من الطاقة في عملية الاحتراق بسبب الإنتروبيا.
توضح الديناميكا الحرارية العلاقة بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة داخل النظام، وكذلك كمية الحرارة والشغل الإضافي الذي يمكن أن ينتجه النظام، وهي مفاهيم تنطبق أيضاً على المواد الصلبة والسائلة. يمكن انتقال الحرارة الناجمة عن حركة الجزيئات إلى أجزاء أخرى من المادة أو إلى مواد أخرى.
مظاهر انتقال الحرارة التي يمكن تفسيرها عبر قوانين الديناميكا الحرارية تشمل التلامس الحراري، حيث تؤثر مادتان على درجة حرارة بعضهما البعض، والتوازن الحراري عندما لا تتبادل المواد الحرارة رغم قربها، بالإضافة إلى التمدد والانكماش الحراري عند تغيير درجات الحرارة، والتوصيل الحراري الذي يشير إلى انتقال الحرارة عبر مادة صلبة، إلى جانب الحمل الذي يتم فيه نقل الجزيئات الساخنة إلى مادة أخرى، وكذلك الإشعاع والعزل.