شرح الفصل السادس – الديناميكية الحرارية – فيزياء الخامس العلمي

تعريف الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية هي أحد فروع علم الفيزياء، وتُعنى بدراسة انتقال الطاقة الحرارية والشغل من أو إلى نظام معين، مع وصف هذا النظام من خلال متغيرات مثل: الضغط، الحجم، ودرجة الحرارة.

بمعنى آخر، هذا الفرع يركز على كيفية انتقال الطاقة، سواء كانت على شكل حرارة أو شغل، من جسم إلى آخر أو من وسط إلى نظام مغلق والعكس.

مثال توضيحي – جدر الشامية

لنفترض أنك قررت صنع “شامية” في المنزل. وضعت قدر (جدر) على نار، وأضفت بداخله بذور الذرة، وكمية من الزيت والملح. هذه العملية تُمثل بوضوح المفهوم الأساسي للديناميكا الحرارية:

• القدر: يمثل “النظام”.
• النار: تمثل “الوسط المحيط”.
• انتقال الحرارة من النار إلى الجدر: هو انتقال للطاقة الحرارية من الوسط المحيط إلى النظام.

تعريف النظام والوسط المحيط

• النظام (System): هو جزء معين من المادة يُعزل لدراسته، مثل القدر بما يحتويه من ذرة وزيت وملح.
• الوسط المحيط (Surroundings): هو كل ما يحيط بالنظام ولا ينتمي إليه، كالبوتاز، الملعقة، أو الهواء المحيط.

تعريف وزاري:
النظام: هو عزل منطقة محددة من المادة عن الوسط المحيط لدراسة انتقال الطاقة الحرارية فيها.

إجراءات انتقال النظام من حالة إلى أخرى (التحولات الحرارية)

عند تغيير حالة النظام، يمكن أن يمر بأحد التحولات الحرارية التالية:

1. التحول الأيزوباري (Isobaric): يتم عند ثبوت الضغط.
2. التحول الأيزوكوري (Isochoric): يتم عند ثبوت الحجم.
3. التحول الأيزوثيرمي (Isothermal): يتم عند ثبوت درجة الحرارة.
4. التحول الأدباتي (Adiabatic): يتم دون انتقال حراري إلى أو من النظام.

تحفظ التحولات مع تعريفها لأنها مهمة في الفهم النظري والتطبيقي.

القانون الأول في الديناميكا الحرارية (قانون حفظ الطاقة)

نص القانون:

الفرق بين كمية الحرارة الممتصة بواسطة النظام، والشغل المبذول بواسطة النظام، يساوي مقدار الزيادة في الطاقة الداخلية للنظام.

الصيغة الرياضية:

$\Delta Q = \Delta U + \Delta W$

حيث:

• $\Delta Q$: كمية الحرارة الداخلة للنظام.
• $\Delta U$: التغير في الطاقة الداخلية.
• $\Delta W$: الشغل المبذول من قبل النظام.

ويمكن إعادة صياغتها عند نقل الشغل إلى الطرف الثاني:

$\Delta U = \Delta Q – \Delta W$

مثال توضيحي:

عند تسخين جسم بطاقة حرارية $\Delta Q$، فإن جزءًا منها يُخزن كطاقة داخلية $\Delta U$، والجزء الآخر يُبذل كشغل $\Delta W$. وهذا هو جوهر قانون حفظ الطاقة في الديناميكا الحرارية.

اشتقاق العلاقة بين الشغل والضغط والحجم

نريد إثبات أن:

$\Delta W = P \Delta V$

خطوات الاشتقاق:

1. من تعريف الشغل: $\Delta W = F \cdot \Delta x$
2. من تعريف الضغط: $P = \frac{F}{A} \Rightarrow F = P \cdot A$
3. بالتعويض: $\Delta W = P \cdot A \cdot \Delta x$
4. وبما أن: $A \cdot \Delta x = \Delta V \Rightarrow \Delta W = P \Delta V$

وهكذا نثبت أن الشغل الناتج عن تغير الحجم في نظام تحت ضغط ثابت يعطى بالعلاقة $\Delta W = P \Delta V$.

الماكينة الحرارية

تعريف الماكينة الحرارية:

الماكينة الحرارية هي جهاز يقوم بتحويل جزء من الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي.

آلية عملها:

1. تتلقى حرارة $Q_H$ من مستودع حراري ذو درجة حرارة عالية $T_H$.
2. يتحول جزء منها إلى شغل $W$.
3. ويتم طرح الجزء المتبقي $Q_C$ إلى مستودع حراري بارد $T_C$.

الكفاءة (Efficiency):

يتم حساب كفاءة الماكينة الحرارية بالنسبة المئوية كما يلي:

$\eta = \frac{W}{Q_H} \times 100\%$

القانون الثاني في الديناميكا الحرارية

القانون الثاني يحدد اتجاه انتقال الطاقة الحرارية، وله صيغتان رئيسيتان:

1. صيغة كلفن-بلانك (Kelvin-Planck):

“من المستحيل بناء ماكينة حرارية تعمل في دورة واحدة وتأخذ حرارة من مستودع حراري واحد وتحوّلها بالكامل إلى شغل ميكانيكي”.

الاستنتاج: لا يمكن الاستغناء عن وجود مستودع حراري منخفض الحرارة.

2. صيغة كلاوزيوس (Clausius):

“من المستحيل انتقال الحرارة تلقائيًا من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم ذي درجة حرارة عالية دون بذل شغل خارجي”.

الاستنتاج: الحرارة تنتقل دائمًا من الأعلى إلى الأدنى في درجة الحرارة.

المكافئ الميكانيكي للحرارة

التعريف:

هو ثابت التناسب بين الشغل والحرارة، ويُعبر عنه بالقيمة:

$1 \text{ Calorie} = 4.2 \text{ Joules}$

العالم الذي اكتشفه:

العالم جول هو أول من اكتشف هذا الثابت.

ملخص الأسئلة المهمة

س/ عرف الديناميكا الحرارية؟
ج/ هو فرع من الفيزياء يهتم بدراسة انتقال الطاقة الحرارية أو الشغل من أو إلى النظام، مع وصفه من خلال الضغط، الحجم، ودرجة الحرارة.

س/ ما هو النظام؟
ج/ هو عزل منطقة محددة من المادة لدراسة انتقال الطاقة فيها.

س/ ما هي أنواع التحولات الحرارية؟
ج/ الأيزوبارية (ثبوت الضغط)، الأيزوكورية (ثبوت الحجم)، الأيزوثيرمية (ثبوت درجة الحرارة)، الأدباتية (بدون انتقال حرارة).

س/ ما نص القانون الأول في الديناميكا الحرارية؟
ج/ الفرق بين كمية الحرارة الممتصة بواسطة النظام والشغل المبذول منه يساوي مقدار الزيادة في الطاقة الداخلية.

س/ ما تعريف الماكينة الحرارية؟
ج/ جهاز يحول جزءًا من الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي نتيجة انتقال الحرارة من مستودع حراري عالي إلى مستودع حراري منخفض.

س/ ما الفرق بين صيغتي كلفن-بلانك وكلاوزيوس؟
ج/ كلفن-بلانك تمنع تحويل الحرارة كليًا إلى شغل دون مستودع بارد، وكلاوزيوس تمنع انتقال الحرارة تلقائيًا من البارد إلى الحار.

س/ ماذا يقصد بالمكافئ الميكانيكي للحرارة؟
ج/ هو ثابت التناسب بين الحرارة والشغل، ومقداره 4.2 جول، واكتشفه العالم جول.