تويت
ما هو القانون الاول في الترموديناميك
في حياتنا اليومية، في تنقُّلاتنا وصناعاتنا واختراعاتنا وحتى التفاصيل الصغيرة في أعمالنا اليوميّة، يسيطر علم الترموديناميك ويُبرز نفسه كأحد أكثر العلوم أهميّةً وتفرّعًا بين مجالات العلوم الأخرى. وفي مقالنا هذا سنستعرض إحدى أهم القوانين التي تحكم علم الترموديناميك، من بين قوانينه الأربعة، والذي يُعتبر من أكثرها أهميّةً وصلةً بتفاصيل العلوم الأخرى، ألا وهو القانون الاول في الترموديناميك فلنتعرّف عليه.
لمحة موجزة عن علم
الترموديناميك
يُعتبر علم الترموديناميك (thermodynamics) أو ما يُعرف بالديناميكية الحرارية من أمّهات العلوم بمعنى أنّ العديد من الفروع العلميّة الأخرى تتأصّل منه. وفي الواقع لم يغدُ علم الترموديناميك علمًا قائمًا بحد ذاته حتى عام 1798 عندما قام السير بنجامين تومسون، مهندسٌ حربيٌّ إنكليزيٌّ، بملاحظة وجود علاقةٍ طرديةٍ بين الطاقة الحركية والطاقة الحرارية أثناء صنع فوهات المدافع، مما دفعه إلى طرح مفهوم الترموديناميك كعلمٍ يختص بالطاقة الحراريّة وتحوّلاتها وانتقالاتها وتفاعلاتها مع أشكال الطاقة الأخرى.
القوانين الأربعة
للديناميكية الحرارية
يقوم علم الترموديناميك على أربعة قوانين رئيسية ثابتة، بالرغم من الاختلاف البسيط في الصياغة النظرية بين المدارس المختلفة حول العالم إلا أنّ الصيغة الأكثر شيوعًا لقوانين الديناميكية الحرارية الأربعة هي كالتالي:
وما ينخص بذكره في مقالنا هو القانون الأول لما له من أهميةٍ كبيرةٍ وتأثيرٍ بليغٍ في باقي القوانين والفروع العلمية المختلفة الأخرى.
القانون الاول في الترموديناميك
ينص القانون الأول على أنّ الحرارة هي شكلٌ من أشكال الطاقة، بالتالي فإن عمليات وقوانين الترموديناميك تخضع إلى مبدأ الحفاظ على الطاقة (Conservation of Energy)، هذا يعني أن الطاقة الحرارية لا تُخلق ولا تُفنى، ومع ذلك يمكن للطاقة الحرارية أن تنتقل من وسطٍ لآخر وأن تتحول من شكلٍ لآخر.
"يتطرّق القانون الاول في الترموديناميك إلى مبدأ التكافؤ؛ والذي ينص على أن الطاقة الداخلية الكليّة في نظامٍ ما يجب أن تكون متساويةً مع العمل والجهد المبذول لتوليدها في هذا النظام، مع إضافة أو طرح أي مقدارٍ من الحرارة يدخل أو يخرج إلى هذا النظام" هذا ما قاله العالم سعيد ميترا (Said Saibal Mitra)، وهو بروفيسور في علوم الفيزياء من جامعة ميسوري الأمريكية.
ويُتبِع شروحاته قائلًا "أن مقدار التغير الطارئ في النظام يعادل مجموع مقادير الطاقة الداخلة والخارجة من وإلى النظام، بشكلٍ مشابهٍ للودائع والسحوبات المالية التي تحدد بالضبط مقدار حسابك المصرفي". وإنّ هذا التغيير يتم التعبير عنه رياضيًّا بالعلاقة: ΔU = Q – W، حيث ΔU تمثل مقدار التغير في الطاقة الداخلية، وQ هي الحرارة المُضافة إلى النظام وأخيرًا W تشير إلى العمل المُنجز من قبل النظام.
مثال عملي على القانون الأول في الترموديناميك
في أيامنا هذه أصبحنا نعلم أنه بإمكاننا تحويل الطاقة الحركية إلى حراريةٍ والعكس، والفضل في تلك المعرفة يعود في الواقع إلى العالم جيمس جول الذي وضّح لنا عبر اختباره البسيط الذي سنستعرضه فيما يلي كيف بإمكاننا ذلك، ومع تطبيق القانون الاول في الترموديناميك أصبح بمقدورنا توقّع كميّة الحرارة الناتجة عن جهدٍ حركيٍّ معيّنٍ مولّد لها بشكلٍ دقيقٍ، وهذا في الواقع كان بحدّ ذاته اكتشافًا رائدًا في الحياة العمليّة والصناعات المختلفة.
الاختبار الذي طبّق العالم جول كان كالتالي:
في هذا الاختبار البسيط قام جول بربط كتلة بوزنٍ معلومٍ بواسطة حبلٍ إلى بكرةٍ وهذا الأخيرة موصولة إلى محورٍ بمجاديف موجودة ضمن وعاءٍ معزولٍ من الماء، كما هو موضّحٌ في الصورة. وعند إسقاط الوزن فإن ذلك يدير البكرة والتي بدورها تنقل الحركة وتؤدي إلى تدوير المجاديف.
ما نلاحظه أن المجاديف وأثناء دورانها فإنها تطبق عملًا على الماء مساوٍ للعمل الحاصل أثناء سقوط الوزن، والذي يساوي حاصل جداء الجاذبية الأرضية بالمسافة التي قطعها الوزن حتى توقّف (L). عندما يتوقف الوزن بعد سقوطه من ارتفاعه الأوّلي فإن الطاقة التي تولّدت أثناء السقوط (الطاقة الحركية)، تنتقل بشكلٍ كاملٍ (مع طرح مقدار بسيط جدًا يعبّر عن الطاقة الضائعة بسبب الاحتكاك) إلى عملٍ في الوعاء المائي عبر المجاديف.
هنا قد نتساءل مالذي حدث للطاقة الحركية الناتجة عن سقوط الوزن؟ أين اختفت؟ إذا كان القانون الاول في الترموديناميك صحيحًا فهذا يعني أنّها في مكانٍ ما في هذه التجربة. في الواقع قام العالم جيمس بريسكوت جول بقياس درجة حرارة الماء في الوعاء ليجد أن درجة حرارتها قد ارتفعت قليلًا، نعم لقد تحوّلت الطاقة الحركية إلى حراريّةٍ مكافئةٍ لها عبر حركة المجاديف ورفعها لطاقة جزيئات الماء عبر تحفيزها بدفعها إلى جدران الوعاء.
أمثلة على تطبيقات
القانون الأول في حياتنا اليومية
في حياتنا اليومية، في تنقُّلاتنا وصناعاتنا واختراعاتنا وحتى التفاصيل الصغيرة في أعمالنا اليوميّة، يسيطر علم الترموديناميك ويُبرز نفسه كأحد أكثر العلوم أهميّةً وتفرّعًا بين مجالات العلوم الأخرى. وفي مقالنا هذا سنستعرض إحدى أهم القوانين التي تحكم علم الترموديناميك، من بين قوانينه الأربعة، والذي يُعتبر من أكثرها أهميّةً وصلةً بتفاصيل العلوم الأخرى، ألا وهو القانون الاول في الترموديناميك فلنتعرّف عليه.
لمحة موجزة عن علم
الترموديناميك
يُعتبر علم الترموديناميك (thermodynamics) أو ما يُعرف بالديناميكية الحرارية من أمّهات العلوم بمعنى أنّ العديد من الفروع العلميّة الأخرى تتأصّل منه. وفي الواقع لم يغدُ علم الترموديناميك علمًا قائمًا بحد ذاته حتى عام 1798 عندما قام السير بنجامين تومسون، مهندسٌ حربيٌّ إنكليزيٌّ، بملاحظة وجود علاقةٍ طرديةٍ بين الطاقة الحركية والطاقة الحرارية أثناء صنع فوهات المدافع، مما دفعه إلى طرح مفهوم الترموديناميك كعلمٍ يختص بالطاقة الحراريّة وتحوّلاتها وانتقالاتها وتفاعلاتها مع أشكال الطاقة الأخرى.
القوانين الأربعة
للديناميكية الحرارية
يقوم علم الترموديناميك على أربعة قوانين رئيسية ثابتة، بالرغم من الاختلاف البسيط في الصياغة النظرية بين المدارس المختلفة حول العالم إلا أنّ الصيغة الأكثر شيوعًا لقوانين الديناميكية الحرارية الأربعة هي كالتالي:
- القانون رقم صفر؛ وينص على ما يلي: في حال كان هنالك نظامان ترموديناميكيّان في حالة توازنٍ مع نظامٍ ثالث، فلابُد عندها أن يكون النظامان متوازنان أيضًا.
- القانون الأول؛ ينص القانون الاول في الترموديناميك ببساطةٍ على أن الطاقة محفوظةٌ دومًا، بمعنى أنه لايمكن محوها ولا خلقها من العدم، بل يمكن لها فقط أن تتحول من شكلٍ لآخر.
- القانون الثاني : ينص على القانون الثاني في الترموديناميك أن الانتروبيا الخاصّة بنظامٍ ما ليس في حالة توازن تميل إلى الازدياد بمرور الوقت، لتصل في نهاية المطاف إلى أكبر مقدار ممكن مع اقتراب النظام إلى حالة التوازن.
- القانون الثالث: يشير إلى علاقةٍ بين درجات الحرارة وانتروبيا نظام ترموديناميكي معيّن، وينص على أنّه ومع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق ( درجة حرارة قدرها 273.15- درجة مئوية أو درجة 0 كالفن) فإن انتروبيا هذا النظام تصل إلى قيمةٍ دنيويةٍ ثابتة.
وما ينخص بذكره في مقالنا هو القانون الأول لما له من أهميةٍ كبيرةٍ وتأثيرٍ بليغٍ في باقي القوانين والفروع العلمية المختلفة الأخرى.
القانون الاول في الترموديناميك
ينص القانون الأول على أنّ الحرارة هي شكلٌ من أشكال الطاقة، بالتالي فإن عمليات وقوانين الترموديناميك تخضع إلى مبدأ الحفاظ على الطاقة (Conservation of Energy)، هذا يعني أن الطاقة الحرارية لا تُخلق ولا تُفنى، ومع ذلك يمكن للطاقة الحرارية أن تنتقل من وسطٍ لآخر وأن تتحول من شكلٍ لآخر.
"يتطرّق القانون الاول في الترموديناميك إلى مبدأ التكافؤ؛ والذي ينص على أن الطاقة الداخلية الكليّة في نظامٍ ما يجب أن تكون متساويةً مع العمل والجهد المبذول لتوليدها في هذا النظام، مع إضافة أو طرح أي مقدارٍ من الحرارة يدخل أو يخرج إلى هذا النظام" هذا ما قاله العالم سعيد ميترا (Said Saibal Mitra)، وهو بروفيسور في علوم الفيزياء من جامعة ميسوري الأمريكية.
ويُتبِع شروحاته قائلًا "أن مقدار التغير الطارئ في النظام يعادل مجموع مقادير الطاقة الداخلة والخارجة من وإلى النظام، بشكلٍ مشابهٍ للودائع والسحوبات المالية التي تحدد بالضبط مقدار حسابك المصرفي". وإنّ هذا التغيير يتم التعبير عنه رياضيًّا بالعلاقة: ΔU = Q – W، حيث ΔU تمثل مقدار التغير في الطاقة الداخلية، وQ هي الحرارة المُضافة إلى النظام وأخيرًا W تشير إلى العمل المُنجز من قبل النظام.
مثال عملي على القانون الأول في الترموديناميك
في أيامنا هذه أصبحنا نعلم أنه بإمكاننا تحويل الطاقة الحركية إلى حراريةٍ والعكس، والفضل في تلك المعرفة يعود في الواقع إلى العالم جيمس جول الذي وضّح لنا عبر اختباره البسيط الذي سنستعرضه فيما يلي كيف بإمكاننا ذلك، ومع تطبيق القانون الاول في الترموديناميك أصبح بمقدورنا توقّع كميّة الحرارة الناتجة عن جهدٍ حركيٍّ معيّنٍ مولّد لها بشكلٍ دقيقٍ، وهذا في الواقع كان بحدّ ذاته اكتشافًا رائدًا في الحياة العمليّة والصناعات المختلفة.
الاختبار الذي طبّق العالم جول كان كالتالي:
في هذا الاختبار البسيط قام جول بربط كتلة بوزنٍ معلومٍ بواسطة حبلٍ إلى بكرةٍ وهذا الأخيرة موصولة إلى محورٍ بمجاديف موجودة ضمن وعاءٍ معزولٍ من الماء، كما هو موضّحٌ في الصورة. وعند إسقاط الوزن فإن ذلك يدير البكرة والتي بدورها تنقل الحركة وتؤدي إلى تدوير المجاديف.
ما نلاحظه أن المجاديف وأثناء دورانها فإنها تطبق عملًا على الماء مساوٍ للعمل الحاصل أثناء سقوط الوزن، والذي يساوي حاصل جداء الجاذبية الأرضية بالمسافة التي قطعها الوزن حتى توقّف (L). عندما يتوقف الوزن بعد سقوطه من ارتفاعه الأوّلي فإن الطاقة التي تولّدت أثناء السقوط (الطاقة الحركية)، تنتقل بشكلٍ كاملٍ (مع طرح مقدار بسيط جدًا يعبّر عن الطاقة الضائعة بسبب الاحتكاك) إلى عملٍ في الوعاء المائي عبر المجاديف.
هنا قد نتساءل مالذي حدث للطاقة الحركية الناتجة عن سقوط الوزن؟ أين اختفت؟ إذا كان القانون الاول في الترموديناميك صحيحًا فهذا يعني أنّها في مكانٍ ما في هذه التجربة. في الواقع قام العالم جيمس بريسكوت جول بقياس درجة حرارة الماء في الوعاء ليجد أن درجة حرارتها قد ارتفعت قليلًا، نعم لقد تحوّلت الطاقة الحركية إلى حراريّةٍ مكافئةٍ لها عبر حركة المجاديف ورفعها لطاقة جزيئات الماء عبر تحفيزها بدفعها إلى جدران الوعاء.
أمثلة على تطبيقات
القانون الأول في حياتنا اليومية
- المصابيح الزجاجية والتي تقوم بتحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقةٍ ضوئيّةٍ بنفس المقدار.
- النباتات التي تقوم بتحويل الطاقة الضوئية الحرارية للشمس إلى طاقةٍ كيميائيّةٍ تختزنها في خلاياها.
- جسم الإنسان الذي يقوم بتحويل الطاقة الكيميائيّة إلى طاقةٍ حراريةٍ وحركيةٍ لإنجاز نشاطاته اليوميّة المختلفة.