تويت
ينص علم الديناميكا الحرارية الثرموديناميك (Thermodynamic) على أن الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة ولذلك فإن العمليات الترموديناميكية تخضع لمبدأ انحفاظ الطاقة. وهذا يعني أن الطاقة الحرارية لا يمكنها أن تُخلق أو تفنى. بل يمكنها الانتقال من مكان إلى آخر وتتحول من وإلى أشكال أخرى من الطاقة.
الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء التي تدرس العلاقة بين الحرارة وأشكال أخرى من الطاقة. وتصف، بشكل خاص، كيفية تحول الطاقة الحرارية من وإلى أشكال أخرى من الطاقة وكيفية تأثيرها على المادة. ويعبَّر عن المبادئ الأساسية في الديناميكا الحرارية بأربعة قوانين.
تُعرِّف سايبال ميترا (Saibal Mitra) استاذة الفيزياء في جامعة ميزوري القانون الأول للديناميكا الحرارية كالتالي :
“هو أن ارتفاع الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي يساوي كمية الطاقة الحرارية المضافة للنظام، مطروح منه الشغل الميكانيكي المبذول من النظام إلى الوسط المحيط، لذلك فهو يعتبر إعادة صياغة لمبدأ انحفاظ الطاقة”.
وتتابع ميترا “التغير في الطاقة الداخلية للجملة هو مجموع الطاقة الداخلة والخارجة من وإلى هذه الجملة بحيث مجموع طاقة الجملة وما يحيط بها (الجوار) يساوي مقداراً ثابتاً”.
وهذا يشبه عمليات الإيداع والسحب التي تحدث في الحسابات البنكية، ويعبر عنه رياضياً بالعلاقة U=Q-W∆ حيث U∆ هو التغير في الطاقة الداخلية للجملة وQ هو مقدار الحرارة المضافة للجملة وW هو الشغل الذي تقوم به الجملة.
تاريخ
اتفق العلماء في أواخر القرن الثامن عشر وبدايات القرن التاسع عشر على نظرية السعرات الحرارية، التي طرحت من قبل أنطوان لافوازييه (Antoine Lavoisier) عام 1783 وتم دعمها بواسطة أعمال سادي كارنو (Sadi Carnot) عام 1824 وذلك بحسب جمعية الفيزياء الأمريكية. وتتعامل نظرية السعرات الحرارية مع الحرارة كنوع من السوائل التي تتدفق من المناطق الحارة إلى الباردة، كالمياه المتدفقة من الأماكن المرتفعة إلى الأماكن المنخفضة. وعند تدفق السائل الحراري من منطقة ساخنة إلى منطقة باردة، فإن بإمكانه إنتاج حرارة أقوى من تلك التي ينتجها تدفق المياه من الأعلى إلى الأسفل والتي تقوم بتدوير عجلات المياه. وتم تأكيد واعتماد هذه النظرية عندما نشرها العالم رودولف كلاوزيوس (Rudolph Clausius) سنة 1879.
الجمل الترموديناميكية
تقسم الطاقة إلى قسمين وفقاً لديفيد ماكي (David McKee)استاذ الفيزياء في جامعة ميزوري الجنوبية. القسم الأول مرئي كالتأثير البشري على مكبس للضغط على غازٍ داخل حجرة ضغط، وقسم آخر يحدث على مستويات لا يمكن رصدها بالعين المجردة.
ويشرح ماكي أنه عندما نضع عينتين (ذرتين) من المعدن بمواجهة بعضهما، فإنهما تقفزان باتجاه بعضهما، وإحداهما تقفز بسرعة أكبر من الأخرى بحيث لا نستطيع اقتفاء أثرها وهذا الأمر يحدث بمقياس زمني قصير (عدة مرات في الثانية الواحدة) وفي أبعاد صغيرة جداً، لذا فنحن نقسم الطاقة المتحولة إلى مجموعتين وهما الأشياء التي نستطيع اقتفاء أثرها والأشياء التي لا نستطيع اقتفاء أثرها والثانية نطلق عليها اسم حرارة.
تُقسّم الجمل الترموديناميكية إلى جمل مفتوحة أو مغلقة أو معزولة. وفقاً لديفيس من جامعة كاليفورنيا، تتبادل الجملة المفتوحة الطاقة والمادة مع الوسط المحيط بحُرية، في حين تتبادل الجمل المغلقة الطاقة ولا تتبادل المادة مع الوسط المحيط، أما الجمل المعزولة فهي لا تتبادل أيا من الطاقة أو المادة مع الوسط المحيط. فعلى سبيل المثال يتلقى وعاء من الحساء الساخن الطاقة من الفرن، وتشع الحرارة من الوعاء كما تصدر المادة على شكل بخار والذي بدوره يحمل طاقة الحرارة بعيداً. وهذا مثال عن الجمل المفتوحة. وإذا وضعنا غطاء شديد القوة على الوعاء، فإنه سيستمر بإصدار طاقة الحرارة، في حين سيكون غير قادر على إصدار المادة التي تتمثل بالبخار، وهذه ستكون الجملة المغلقة.
في حين إذا سكبنا الحساء في وعاء عازل للحرارة بشكل تام وأغلقنا الغطاء بإحكام، فستبقى الطاقة والمادة محفوظة في الوعاء ولا يمكن إصدارها خارجاً، وهي الجمل المعزولة.
عملياً لا يمكن للجمل المعزولة بشكل تام أن تتواجد. فجميع الجمل تنقل الطاقة لا المادة إلى الوسط المحيط عن طريق الإشعاع، فكيف ستكون تلك الجمل معزولة؟ فالحساء الموضوع في الوعاء العازل للحرارة سيبقى ساخناً لعدة ساعات فقط، وسيصل لدرجة حرارة الغرفة بحلول اليوم التالي. وفي مثال آخر، فإن النجوم البيضاء القزمة والتي هي بقايا ساخنة من النجوم المشتعلة بحيث ليس بإمكانها إنتاج الطاقة من جديد، يمكن أن تصبح معزولة في مسافات تمتد لسنوات ضوئية في الفضاء البينجمي الشبه خالي، إلا أنها ستبرد في النهاية بفقدان عشرات الآلاف من الدرجات لتقترب من درجة الصفر المطلق نظراً لخسارة الطاقة بسبب الإشعاع الذي تصدره. وبالرغم من أن هذه العملية تستغرق وقتاً أطول من عمر الكون الحالي، إلا أنه لا يمكن إيقافها.
المحركات الحرارية
يعتبر المحرك الحراري التطبيق العملي الأكثر شيوعاً للقانون الأول في الترموديناميك. فالمحركات الحرارية تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية والعكس. وتصنف المحركات الحرارية على أنها جمل مفتوحة. ويقوم المبدأ الأساسي لمحرك الحرارة على استخدام العلاقة بين الحرارة والحجم والضغط للسائل المستخدم. وهذا السائل يكون عادة على شكل غاز، ولكن في بعض الحالات يمكن أن يتحول الغاز إلى سائل ومنه إلى غاز وذلك بشكل دوري.
عندما يسخن الغاز فأنه يتمدد أو يزداد حجمه وعندما يكون هذا الغاز محجوزاً فإن ضغطه سيزداد. وإذا كان الجدار السفلي للحجرة الحاجزة عبارة عن مكبس متحرك، فإن الضغط سيولد قوة على سطح المكبس مسبباً تحريكه نحو الأسفل. يمكن تسخير هذه الحركة للقيام بشغلٍ يساوي المجموع الكلي للقوة المطبقة على المكبس في الزمن والمسافة التي تَحرك بها المكبس.
تم إدخال عدة تغييرات على المحركات الحرارية الأولى، فمثلا أصبحت المحركات البخارية تعتمد على الاحتراق الخارجي لتسخين الغلاية التي تحوي السائل المستخدم، والذي يكون في العادة عبارة عن ماء، الذي يتحول إلى بخار ويقوم بالضغط على المكبس ليحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.
في حين تستخدم محركات السيارات الاحتراق الداخلي حيث يتبخر الوقود السائل ويخلط مع الهواء، ويحترق داخل الاسطوانة فوق المكبس المتحرك ليقوم بتحريكه نحو الأسفل.
الثلاجات ومكيفات الهواء ومضخات الحرارة
تعتبر الثلاجات ومضخات الحرارة محركات حرارية تحول الطاقة الميكانيكية إلى حرارة. معظمها تصنف ضمن فئة الجمل المغلقة. فعندما يتم ضغط الغاز فإن حرارته تزداد، وهذا الغاز الساخن ينقل الحرارة إلى الوسط المحيط.
وعند السماح للغاز المضغوط بالتمدد فإنه يصبح أبرد من ذي قبل، والذي تم ضغطه بإزالة جزءٍ من طاقته الحرارية خلال الدورة الحرارية، وباستطاعة هذا الغاز البارد امتصاص الطاقة الحرارية من بيئته المحيطة. وهذا هو المبدأ العام لمكيف الهواء. بحيث لا تنتج مكيفات الهواء البرودة وإنما تقوم بإزالة الحرارة.
يُنقل السائل المستخدم خارجاً بواسطة مضخة ميكانيكية والتي يتم تسخينها بواسطة الضغط، ثم تُنقل الحرارة خارج البيئة خلال مبادل الحرارة المبرد للهواء، ومن تم جلبه إلى لداخل، حيث يتم السماح له بالتمدد والتبريد، لذا فباستطاعته امتصاص الحرارة من الهواء الداخلي من خلال مبادل آخر للحرارة.
أما مضخة الحرارة أو السخان فهي عبارة عن مكيف للهواء ولكنه يعمل بشكل عكسي. فتستخدم الحرارة لتدفئة المبنى بواسطة السائل المستخدم المضغوط. فيتم نقله خارجاً حيث يتمدد ويبرد، وبذلك يسمح له بامتصاص الحرارة من الهواء الخارجي الذي يكون عادة أدفأ من السائل المستخدم البارد ولو في فصل الشتاء.
مكيفات الهواء ومضخات الحرارة التي تعمل على مصدر أرضي أو الطاقة الحرارية الأرضية تستخدم أنابيب طويلة على شكل حرف U في أبار عميقة أو مصفوفات أفقية من الأنابيب المدفونة في مساحة كبيرة حيث يدور السائل المستخدم، ويتم نقل الحرارة من وإلى الأرض. وهناك أنظمة أخرى تستخدم مياه الأنهار أو المحيطات لتسخين أو تبريد السائل المستخدم.
الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء التي تدرس العلاقة بين الحرارة وأشكال أخرى من الطاقة. وتصف، بشكل خاص، كيفية تحول الطاقة الحرارية من وإلى أشكال أخرى من الطاقة وكيفية تأثيرها على المادة. ويعبَّر عن المبادئ الأساسية في الديناميكا الحرارية بأربعة قوانين.
تُعرِّف سايبال ميترا (Saibal Mitra) استاذة الفيزياء في جامعة ميزوري القانون الأول للديناميكا الحرارية كالتالي :
“هو أن ارتفاع الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي يساوي كمية الطاقة الحرارية المضافة للنظام، مطروح منه الشغل الميكانيكي المبذول من النظام إلى الوسط المحيط، لذلك فهو يعتبر إعادة صياغة لمبدأ انحفاظ الطاقة”.
وتتابع ميترا “التغير في الطاقة الداخلية للجملة هو مجموع الطاقة الداخلة والخارجة من وإلى هذه الجملة بحيث مجموع طاقة الجملة وما يحيط بها (الجوار) يساوي مقداراً ثابتاً”.
وهذا يشبه عمليات الإيداع والسحب التي تحدث في الحسابات البنكية، ويعبر عنه رياضياً بالعلاقة U=Q-W∆ حيث U∆ هو التغير في الطاقة الداخلية للجملة وQ هو مقدار الحرارة المضافة للجملة وW هو الشغل الذي تقوم به الجملة.
تاريخ
اتفق العلماء في أواخر القرن الثامن عشر وبدايات القرن التاسع عشر على نظرية السعرات الحرارية، التي طرحت من قبل أنطوان لافوازييه (Antoine Lavoisier) عام 1783 وتم دعمها بواسطة أعمال سادي كارنو (Sadi Carnot) عام 1824 وذلك بحسب جمعية الفيزياء الأمريكية. وتتعامل نظرية السعرات الحرارية مع الحرارة كنوع من السوائل التي تتدفق من المناطق الحارة إلى الباردة، كالمياه المتدفقة من الأماكن المرتفعة إلى الأماكن المنخفضة. وعند تدفق السائل الحراري من منطقة ساخنة إلى منطقة باردة، فإن بإمكانه إنتاج حرارة أقوى من تلك التي ينتجها تدفق المياه من الأعلى إلى الأسفل والتي تقوم بتدوير عجلات المياه. وتم تأكيد واعتماد هذه النظرية عندما نشرها العالم رودولف كلاوزيوس (Rudolph Clausius) سنة 1879.
الجمل الترموديناميكية
تقسم الطاقة إلى قسمين وفقاً لديفيد ماكي (David McKee)استاذ الفيزياء في جامعة ميزوري الجنوبية. القسم الأول مرئي كالتأثير البشري على مكبس للضغط على غازٍ داخل حجرة ضغط، وقسم آخر يحدث على مستويات لا يمكن رصدها بالعين المجردة.
ويشرح ماكي أنه عندما نضع عينتين (ذرتين) من المعدن بمواجهة بعضهما، فإنهما تقفزان باتجاه بعضهما، وإحداهما تقفز بسرعة أكبر من الأخرى بحيث لا نستطيع اقتفاء أثرها وهذا الأمر يحدث بمقياس زمني قصير (عدة مرات في الثانية الواحدة) وفي أبعاد صغيرة جداً، لذا فنحن نقسم الطاقة المتحولة إلى مجموعتين وهما الأشياء التي نستطيع اقتفاء أثرها والأشياء التي لا نستطيع اقتفاء أثرها والثانية نطلق عليها اسم حرارة.
تُقسّم الجمل الترموديناميكية إلى جمل مفتوحة أو مغلقة أو معزولة. وفقاً لديفيس من جامعة كاليفورنيا، تتبادل الجملة المفتوحة الطاقة والمادة مع الوسط المحيط بحُرية، في حين تتبادل الجمل المغلقة الطاقة ولا تتبادل المادة مع الوسط المحيط، أما الجمل المعزولة فهي لا تتبادل أيا من الطاقة أو المادة مع الوسط المحيط. فعلى سبيل المثال يتلقى وعاء من الحساء الساخن الطاقة من الفرن، وتشع الحرارة من الوعاء كما تصدر المادة على شكل بخار والذي بدوره يحمل طاقة الحرارة بعيداً. وهذا مثال عن الجمل المفتوحة. وإذا وضعنا غطاء شديد القوة على الوعاء، فإنه سيستمر بإصدار طاقة الحرارة، في حين سيكون غير قادر على إصدار المادة التي تتمثل بالبخار، وهذه ستكون الجملة المغلقة.
في حين إذا سكبنا الحساء في وعاء عازل للحرارة بشكل تام وأغلقنا الغطاء بإحكام، فستبقى الطاقة والمادة محفوظة في الوعاء ولا يمكن إصدارها خارجاً، وهي الجمل المعزولة.
عملياً لا يمكن للجمل المعزولة بشكل تام أن تتواجد. فجميع الجمل تنقل الطاقة لا المادة إلى الوسط المحيط عن طريق الإشعاع، فكيف ستكون تلك الجمل معزولة؟ فالحساء الموضوع في الوعاء العازل للحرارة سيبقى ساخناً لعدة ساعات فقط، وسيصل لدرجة حرارة الغرفة بحلول اليوم التالي. وفي مثال آخر، فإن النجوم البيضاء القزمة والتي هي بقايا ساخنة من النجوم المشتعلة بحيث ليس بإمكانها إنتاج الطاقة من جديد، يمكن أن تصبح معزولة في مسافات تمتد لسنوات ضوئية في الفضاء البينجمي الشبه خالي، إلا أنها ستبرد في النهاية بفقدان عشرات الآلاف من الدرجات لتقترب من درجة الصفر المطلق نظراً لخسارة الطاقة بسبب الإشعاع الذي تصدره. وبالرغم من أن هذه العملية تستغرق وقتاً أطول من عمر الكون الحالي، إلا أنه لا يمكن إيقافها.
المحركات الحرارية
يعتبر المحرك الحراري التطبيق العملي الأكثر شيوعاً للقانون الأول في الترموديناميك. فالمحركات الحرارية تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية والعكس. وتصنف المحركات الحرارية على أنها جمل مفتوحة. ويقوم المبدأ الأساسي لمحرك الحرارة على استخدام العلاقة بين الحرارة والحجم والضغط للسائل المستخدم. وهذا السائل يكون عادة على شكل غاز، ولكن في بعض الحالات يمكن أن يتحول الغاز إلى سائل ومنه إلى غاز وذلك بشكل دوري.
عندما يسخن الغاز فأنه يتمدد أو يزداد حجمه وعندما يكون هذا الغاز محجوزاً فإن ضغطه سيزداد. وإذا كان الجدار السفلي للحجرة الحاجزة عبارة عن مكبس متحرك، فإن الضغط سيولد قوة على سطح المكبس مسبباً تحريكه نحو الأسفل. يمكن تسخير هذه الحركة للقيام بشغلٍ يساوي المجموع الكلي للقوة المطبقة على المكبس في الزمن والمسافة التي تَحرك بها المكبس.
تم إدخال عدة تغييرات على المحركات الحرارية الأولى، فمثلا أصبحت المحركات البخارية تعتمد على الاحتراق الخارجي لتسخين الغلاية التي تحوي السائل المستخدم، والذي يكون في العادة عبارة عن ماء، الذي يتحول إلى بخار ويقوم بالضغط على المكبس ليحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.
في حين تستخدم محركات السيارات الاحتراق الداخلي حيث يتبخر الوقود السائل ويخلط مع الهواء، ويحترق داخل الاسطوانة فوق المكبس المتحرك ليقوم بتحريكه نحو الأسفل.
الثلاجات ومكيفات الهواء ومضخات الحرارة
تعتبر الثلاجات ومضخات الحرارة محركات حرارية تحول الطاقة الميكانيكية إلى حرارة. معظمها تصنف ضمن فئة الجمل المغلقة. فعندما يتم ضغط الغاز فإن حرارته تزداد، وهذا الغاز الساخن ينقل الحرارة إلى الوسط المحيط.
وعند السماح للغاز المضغوط بالتمدد فإنه يصبح أبرد من ذي قبل، والذي تم ضغطه بإزالة جزءٍ من طاقته الحرارية خلال الدورة الحرارية، وباستطاعة هذا الغاز البارد امتصاص الطاقة الحرارية من بيئته المحيطة. وهذا هو المبدأ العام لمكيف الهواء. بحيث لا تنتج مكيفات الهواء البرودة وإنما تقوم بإزالة الحرارة.
يُنقل السائل المستخدم خارجاً بواسطة مضخة ميكانيكية والتي يتم تسخينها بواسطة الضغط، ثم تُنقل الحرارة خارج البيئة خلال مبادل الحرارة المبرد للهواء، ومن تم جلبه إلى لداخل، حيث يتم السماح له بالتمدد والتبريد، لذا فباستطاعته امتصاص الحرارة من الهواء الداخلي من خلال مبادل آخر للحرارة.
أما مضخة الحرارة أو السخان فهي عبارة عن مكيف للهواء ولكنه يعمل بشكل عكسي. فتستخدم الحرارة لتدفئة المبنى بواسطة السائل المستخدم المضغوط. فيتم نقله خارجاً حيث يتمدد ويبرد، وبذلك يسمح له بامتصاص الحرارة من الهواء الخارجي الذي يكون عادة أدفأ من السائل المستخدم البارد ولو في فصل الشتاء.
مكيفات الهواء ومضخات الحرارة التي تعمل على مصدر أرضي أو الطاقة الحرارية الأرضية تستخدم أنابيب طويلة على شكل حرف U في أبار عميقة أو مصفوفات أفقية من الأنابيب المدفونة في مساحة كبيرة حيث يدور السائل المستخدم، ويتم نقل الحرارة من وإلى الأرض. وهناك أنظمة أخرى تستخدم مياه الأنهار أو المحيطات لتسخين أو تبريد السائل المستخدم.