نظرة عامة على الديناميكا الحرارية والمفاهيم الأساسية

الديناميكا الحرارية هي مجال الفيزياء التي تتعامل مع العلاقة بين الحرارة وغيرها من الخصائص (مثل الضغط, كثافة, درجة الحرارة، وما إلى ذلك) في مادة.

على وجه التحديد ، الديناميكا الحرارية تركز إلى حد كبير على كيفية أ انتقال الحرارة يرتبط بتغيرات الطاقة المختلفة داخل نظام مادي يخضع لعملية ديناميكية حرارية. مثل هذه العمليات عادة ما تؤدي إلى عمل يجري من قبل النظام وتسترشد قوانين الديناميكا الحرارية.

المفاهيم الأساسية لنقل الحرارة

بشكل عام ، يتم فهم حرارة المادة على أنها تمثيل للطاقة الموجودة في جزيئات تلك المادة. هذا هو المعروف باسم النظرية الحركية للغازات، على الرغم من أن المفهوم ينطبق بدرجات متفاوتة على المواد الصلبة والسوائل كذلك. يمكن أن تنتقل الحرارة الناتجة عن حركة هذه الجسيمات إلى جسيمات قريبة ، وبالتالي إلى أجزاء أخرى من المادة أو غيرها من المواد ، من خلال مجموعة متنوعة من الوسائل:

  • الاتصال الحراري هو عندما اثنين من المواد يمكن أن تؤثر على درجة حرارة كل منهما.
  • توازن حراري هو عندما اثنين من المواد في الاتصال الحراري لم يعد نقل الحرارة.
  • التمدد الحراري يحدث عندما تتوسع المادة في الحجم حيث تكتسب الحرارة. الانكماش الحراري موجود أيضا.
  • التوصيل عندما تتدفق الحرارة من خلال مادة صلبة ساخنة.
  • الحمل الحراري هو عندما تنقل الجسيمات الساخنة الحرارة إلى مادة أخرى ، مثل طهي شيء في الماء المغلي.
  • إشعاع هو عندما يتم نقل الحرارة من خلال الموجات الكهرومغناطيسية ، مثل من الشمس.
  • عازلة عند استخدام مادة منخفضة التوصيل لمنع انتقال الحرارة.

العمليات الديناميكية الحرارية

نظام يخضع ل عملية الحرارية عندما يكون هناك نوع من التغيير النشط داخل النظام ، يرتبط بشكل عام بالتغيرات في الضغط أو الحجم أو الطاقة الداخلية (أي درجة الحرارة) أو أي نوع من نقل الحرارة.

هناك عدة أنواع محددة من العمليات الحرارية التي لها خصائص خاصة:

  • عملية ثابت الحرارة - عملية بدون نقل الحرارة إلى أو خارج النظام.
  • عملية Isochoric - عملية بدون تغيير في الحجم ، وفي هذه الحالة لا يعمل النظام.
  • عملية isobaric - عملية دون تغيير في الضغط.
  • عملية متساوي الحرارة - عملية دون تغيير في درجة الحرارة.

حالات المادة

حالة المادة هي وصف لنوع التركيب الفيزيائي الذي تظهره المادة ، مع خصائص تصف كيف تتماسك المادة (أو لا). هناك خمسة حالات المادة، على الرغم من أن الثلاثة فقط منهم عادة ما يتم تضمينهم في طريقة تفكيرنا في حالات المادة:

  • غاز
  • السائل
  • صلب
  • بلازما
  • فائض (مثل بوز اينشتاين المكثفات)

يمكن أن تنتقل العديد من المواد بين المراحل الغازية والسائلة والصلبة للمادة ، بينما من المعروف أن بعض المواد النادرة فقط قادرة على الدخول في حالة سائلة. البلازما هي حالة مميزة للمادة ، مثل البرق

  • تركيز - الغاز إلى السائل
  • تجميد - السائل إلى الصلبة
  • ذوبان - الصلبة إلى السائل
  • تسامي - صلبة للغاز
  • التبخير - سائل أو صلب للغاز

السعة الحرارية

قدرة الحرارة ، ج، من كائن هو نسبة التغير في الحرارة (تغيير الطاقة ، Δس، حيث يشير الرمز اليوناني Delta ، Δ ، إلى تغيير في الكمية) لتغيير درجة الحرارة (Δت).

ج = Δ س / Δ ت

تشير السعة الحرارية لمادة ما إلى السهولة التي ترتفع بها المادة. أ موصل حراري جيد سيكون لها قدرة حرارة منخفضة، مما يشير إلى أن كمية صغيرة من الطاقة تسبب تغير درجة حرارة كبيرة. سيكون للعازل الحراري الجيد قدرة حرارية كبيرة ، مما يشير إلى أن هناك حاجة إلى الكثير من نقل الطاقة لتغيير درجة الحرارة.

معادلات الغاز المثالية

هناك العديد معادلات الغاز المثالي التي تتعلق درجة الحرارة (ت1)، الضغط (ص1) ، وحجم (الخامس1). يشار إلى هذه القيم بعد التغير الديناميكي الحراري بـ (ت2), (ص2) و (الخامس2). لكمية معينة من المادة ، ن (تقاس في الشامات) ، والعلاقات التالية عقد:

قانون بويل ( ت ثابت):
ص1الخامس1 = ص2الخامس2
قانون تشارلز / غاي لوساك (ص ثابت):
الخامس1/ت1 = الخامس2/ت2
قانون الغاز المثالي:
ص1الخامس1/ت1 = ص2الخامس2/ت2 = رقم

ر هل ثابت الغاز المثالي, ر = 8.3145 J / mol * K. لكمية معينة من المسألة ، لذلك ، رقم ثابت ، والذي يعطي قانون الغاز المثالي.

قوانين الديناميكا الحرارية

  • قانون الصفر للديناميكا الحرارية - يوجد نظامان في توازن حراري مع نظام ثالث في حالة توازن حراري لبعضهما البعض.
  • القانون الأول للديناميكا الحرارية - التغير في طاقة النظام هو مقدار الطاقة المضافة إلى النظام مطروحًا منها الطاقة المستهلكة في العمل.
  • القانون الثاني للديناميكا الحرارية - يستحيل على العملية أن يكون لها نتيجة وحيدة نقل الحرارة من جسم بارد إلى جسم أكثر حرارة.
  • القانون الثالث للديناميكا الحرارية - من المستحيل تقليل أي نظام إلى الصفر المطلق في سلسلة محدودة من العمليات. هذا يعني أنه لا يمكن إنشاء محرك حراري فعال للغاية.

القانون الثاني والانتروبيا

القانون الثاني للديناميكا الحرارية يمكن أن يعاد الحديث عنه غير قادر عليوهو قياس كمي للاضطراب في النظام. التغيير في الحرارة مقسوما على درجة الحرارة المطلقة هل تغيير الانتروبيا من العملية. على هذا النحو ، يمكن إعادة صياغة القانون الثاني على النحو التالي:

في أي نظام مغلق ، ستبقى إنتروبيا النظام إما ثابتة أو تزيد.

بواسطة "نظام مغلق" هذا يعني انه كل يتم تضمين جزء من العملية عند حساب إنتروبيا النظام.

المزيد عن الديناميكا الحرارية

في بعض النواحي ، يعتبر علاج الديناميكا الحرارية كأنظمة متميزة للفيزياء مضللاً. تتناول الديناميكا الحرارية كل مجال من مجالات الفيزياء تقريبًا ، من الفيزياء الفلكية إلى الفيزياء الحيوية ، لأنها تتعامل جميعها بطريقة ما مع تغير الطاقة في النظام. بدون قدرة النظام على استخدام الطاقة داخل النظام للقيام بالعمل - قلب الديناميكا الحرارية - لن يكون هناك شيء للفيزيائيين لدراسته.

بعد قولي هذا ، هناك بعض الحقول التي تستخدم الديناميكا الحرارية في المرور أثناء دراستها للأخرى الظواهر ، في حين أن هناك مجموعة واسعة من المجالات التي تركز بشدة على حالات الديناميكا الحرارية متورط. فيما يلي بعض الحقول الفرعية للديناميكا الحرارية:

  • Cryophysics / Cryogenics / فيزياء درجات الحرارة المنخفضة - دراسةال الخصائص الفيزيائية في مواقف درجات الحرارة المنخفضة ، أقل بكثير من درجات الحرارة التي تعرضت لها حتى أبرد مناطق الأرض. مثال على ذلك هو دراسة السوائل الفائقة.
  • ديناميكا الموائع / ميكانيكا الموائع - دراسة الخواص الفيزيائية "للسوائل" المحددة تحديداً في هذه الحالة على أنها سوائل وغازات.
  • فيزياء الضغط العالي - ال دراسة الفيزياء في أنظمة الضغط العالي للغاية ، المرتبطة بشكل عام بديناميات الموائع.
  • الأرصاد الجوية / فيزياء الطقس - فيزياء الطقس ، أنظمة الضغط في الجو ، إلخ.
  • فيزياء البلازما - دراسة المادة في حالة البلازما.