المحاضرة الثانية / بعض مصطلحات علم الثرموداينمك

مصطلحات الثرمودايناميك

مقدمة: ما هو الثرمودايناميك؟

الثرمودايناميك أو الديناميكا الحرارية هو فرع من فروع الفيزياء يهتم بدراسة الطاقة وتحولاتها، خصوصًا العلاقة بين الحرارة والشغل، وكيف تؤثر هذه التفاعلات على خواص المادة مثل الضغط، الحجم، ودرجة الحرارة.

لفهم هذا العلم، لا بد من معرفة بعض المصطلحات الأساسية التي تُستخدم باستمرار، وهي: النظام (System)، المحيط (Surroundings)، والمجموعة أو الكون (Universe). هذه المصطلحات هي الأساس لفهم كيف يتم تبادل الطاقة بين الأشياء، ولماذا تتحول من شكل إلى آخر.

1. النظام (System)

تعريف النظام:

النظام هو الجزء من الكون الذي نركز عليه أثناء دراسة ظاهرة حرارية معينة. بمعنى آخر، هو “الشيء” الذي ندرسه أو نراقب ما يحدث له من تغيرات فيزيائية أو كيميائية.

مثال:

• إذا كنا ندرس غليان الماء في قدر، فإن الماء هو “النظام”.
• إذا كنا نراقب عمل محرك سيارة، فإن المحرك نفسه يمكن اعتباره النظام.

أنواع الأنظمة في الثرمودايناميك:

تنقسم الأنظمة إلى ثلاثة أنواع رئيسية حسب التبادل بينها وبين المحيط:

1.1. النظام المفتوح (Open System):

• يسمح بتبادل المادة والطاقة مع المحيط.
• مثال: وعاء مفتوح يحتوي على ماء يغلي. البخار يخرج (مادة)، والحرارة تنتقل (طاقة).

1.2. النظام المغلق (Closed System):

• يسمح بتبادل الطاقة فقط، ولكن لا يُسمح للمادة بالخروج أو الدخول.
• مثال: قدر مغلق يحتوي على ماء يغلي. تنتقل الحرارة، لكن البخار لا يخرج.

1.3. النظام المعزول (Isolated System):

• لا يسمح بتبادل المادة ولا الطاقة مع المحيط.
• مثال نظري: ترمس مثالي (مثل الحافظ الحراري) لا يسمح بخروج الحرارة أو دخولها.

خصائص النظام:

كل نظام يُدرس من خلال مجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية، مثل:

• الضغط
• الحجم
• درجة الحرارة
• الكتلة
• الطاقة الداخلية

2. المحيط (Surroundings)

تعريف المحيط:

المحيط هو كل ما يحيط بالنظام ويمكن أن يتبادل معه طاقة أو مادة. ببساطة، هو “الخارج” مقارنةً بما ندرسه.

إذا اعتبرنا أن النظام هو المركز، فالمحيط هو كل شيء آخر في الكون خارج هذا النظام، لكن يمكن أن يؤثر فيه أو يتأثر به.

أمثلة توضيحية:

• في مثال غليان الماء في قدر مفتوح، فإن الهواء المحيط، سطح الموقد، وحتى يد الشخص الذي يمسك القدر يمكن أن تُعتبر جزءًا من المحيط.
• في محرك السيارة، الهواء الخارجي، العادم، وحتى البيئة المحيطة به كلها تعتبر محيطًا.

التفاعل بين النظام والمحيط:

• التفاعل بين النظام والمحيط هو ما يُحدث التغيرات التي ندرسها في الثرمودايناميك.
• قد تنتقل الحرارة من المحيط إلى النظام أو العكس.
• قد تنقل المادة (مثل الغاز أو البخار) من النظام إلى المحيط أو العكس في الأنظمة المفتوحة فقط.

3. المجموعة أو الكون (Universe)

تعريف المجموعة (الكون):

المجموعة (أو أحيانًا تُسمى “الكون” في سياق الثرمودايناميك) هي مجموع النظام والمحيط معًا.

الكون = النظام + المحيط

هذا المفهوم مهم جدًا في القانون الأول للديناميكا الحرارية، الذي ينص على أن:

“الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث من العدم، وإنما تتحول من شكل إلى آخر، ومجموع الطاقة في الكون ثابت.”

أهمية المفهوم:

• نستخدم مفهوم “الكون” حين نرغب في تقييم تأثيرات العمليات الحرارية بشكل كامل.
• بما أن الطاقة الكلية محفوظة في الكون، فإن الطاقة التي يفقدها النظام يكتسبها المحيط، والعكس.

أمثلة عملية تجمع المفاهيم:

مثال 1: فنجان شاي ساخن في غرفة

• النظام: فنجان الشاي.
• المحيط: هواء الغرفة، الطاولة، وكل شيء يلامس الشاي.
• المجموعة (الكون): الشاي + الغرفة.

ما الذي يحدث؟
الحرارة تنتقل من الشاي (النظام) إلى الهواء (المحيط)، إلى أن تتساوى درجات الحرارة.

مثال 2: ثلاجة تعمل

• النظام: حجرة الثلاجة والمكونات الداخلية.
• المحيط: المطبخ أو الغرفة التي توجد بها الثلاجة.
• المجموعة: الثلاجة + الغرفة.

ما الذي يحدث؟
الثلاجة تسحب حرارة من داخلها (من النظام)، وتطردها إلى المحيط، فتزداد حرارة الغرفة قليلاً.

خاتمة: لماذا هذه المصطلحات مهمة؟

فهم مصطلحات مثل النظام، المحيط، والمجموعة هو الخطوة الأولى لفهم قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة التي تنظم سلوك الطاقة في الكون.

بمجرد أن نفهم:

• ما الذي ندرسه (النظام)
• ما الذي يحيط به (المحيط)
• كيف يتفاعلان معًا ضمن إطار أكبر (الكون)

يمكننا أن نطبّق هذه المفاهيم في مجموعة واسعة من التطبيقات، من محطات الطاقة وتبريد الأجهزة، إلى فهم العمليات الحيوية في جسم الإنسان.

هل تحب أن أضيف رسوماً توضيحية أو مخططاً بسيطاً يوضح العلاقة بين النظام والمحيط؟