ما هي العملية الديناميكية الحرارية؟ أسئلة وأجوبة الفيزياء

يخضع النظام لعملية ديناميكية حرارية عندما يكون هناك نوع من التغيير النشط داخل النظام ، يرتبط بشكل عام بالتغيرات في الضغط والحجم ، الطاقة الداخليةأو درجة الحرارة أو أي نوع من انتقال الحرارة.

هناك عدة أنواع محددة من العمليات الديناميكية الحرارية التي تحدث بشكل متكرر بما فيه الكفاية (وفي المواقف العملية) بحيث يتم التعامل معها بشكل شائع في دراسة الديناميكا الحرارية. لكل منها سمة فريدة تحدده ، وهي مفيدة في تحليل تغييرات الطاقة والعمل المرتبطة بالعملية.

• 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.

من الممكن أن يكون هناك عمليات متعددة في عملية واحدة. سيكون المثال الأكثر وضوحًا هو الحالة التي يتغير فيها الحجم والضغط ، مما يؤدي إلى عدم حدوث تغير في درجة الحرارة أو نقل الحرارة - ستكون هذه العملية ثابتة وغير متساوية.

من الناحية الرياضية ، القانون الأول للديناميكا الحرارية يمكن كتابتها على النحو التالي:

دلتا- يو = س - ث أو س = دلتا- يو + ث
أين

• دلتا-يو = تغير النظام في الطاقة الداخلية
• س = الحرارة المنقولة داخل النظام أو خارجه.
• ث = العمل الذي يقوم به أو على النظام.

عند تحليل إحدى العمليات الديناميكية الحرارية الخاصة الموضحة أعلاه ، نجد بشكل متكرر (وإن لم يكن دائمًا) نتيجة محظوظة جدًا - إحدى هذه الكميات يقلل إلى الصفر!

على سبيل المثال ، في عملية ثابت الحرارة ، لا يوجد انتقال حراري ، لذلك س = 0 ، مما أدى إلى علاقة مباشرة للغاية بين الطاقة الداخلية والعمل: دلتا-س = -ث. راجع التعريفات الفردية لهذه العمليات للحصول على تفاصيل أكثر تحديدًا حول خصائصها الفريدة.

تنطلق معظم العمليات الديناميكية الحرارية بشكل طبيعي من اتجاه إلى آخر. وبعبارة أخرى ، لديهم اتجاه مفضل.

تتدفق الحرارة من جسم أكثر حرارة إلى جسم أكثر برودة. تتوسع الغازات لملء الغرفة ، لكنها لن تتقلص تلقائيًا لملء مساحة أصغر. يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية بالكامل إلى حرارة ، لكن من المستحيل عملياً تحويل الحرارة بالكامل إلى طاقة ميكانيكية.

ومع ذلك ، تمر بعض الأنظمة بعملية قابلة للعكس. بشكل عام ، يحدث هذا عندما يكون النظام قريبًا دائمًا من التوازن الحراري ، داخل النظام نفسه ومع أي محيط. في هذه الحالة ، يمكن أن تؤدي التغييرات اللانهائية إلى شروط النظام إلى السير في الاتجاه المعاكس. على هذا النحو ، فإن عملية عكسها تعرف أيضا باسم عملية التوازن.

مثال 1: اثنين من المعادن (أ و ب) في اتصال حراري و توازن حراري. يتم تسخين المعدن A بكمية غير متناهية ، بحيث تتدفق الحرارة منه إلى المعدن B. يمكن عكس هذه العملية عن طريق تبريد كمية لا متناهية ، وعندها تبدأ الحرارة بالتدفق من B إلى A حتى تصبح مرة أخرى في حالة توازن حراري.

مثال 2: يتم توسيع الغاز ببطء وبشكل ثابت في عملية عكسية. عن طريق زيادة الضغط بكمية غير محدودة ، يمكن للغاز نفسه أن يضغط ببطء وبشكل ثابت مرة أخرى إلى الحالة الأولية.

تجدر الإشارة إلى أن هذه أمثلة مثالية إلى حد ما. لأغراض عملية ، يتوقف النظام الموجود في حالة التوازن الحراري عن التوازن الحراري بمجرد إدخال أحد هذه التغييرات... وبالتالي فإن العملية ليست في الواقع عكسها تماما. إنه ل نموذج مثالي حول كيفية حدوث مثل هذا الموقف ، على الرغم من التحكم الدقيق في الظروف التجريبية ، يمكن تنفيذ عملية قريبة جدًا من أن تكون قابلة للعكس تمامًا.

معظم العمليات بالطبع عمليات لا رجعة فيها (أو عمليات لا شيء). استخدام احتكاك الفرامل في العمل على سيارتك هو عملية لا رجعة فيها. إن السماح بتدفق الهواء من البالون إلى الغرفة عملية لا رجعة فيها. إن وضع كتلة من الثلج على ممشى أسمنتي ساخن عملية لا رجعة فيها.

بشكل عام ، هذه العمليات التي لا رجعة فيها هي نتيجة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي يتم تعريفه بشكل متكرر من حيث غير قادر عليأو خلل في النظام.

هناك عدة طرق لصياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، ولكنها في الأساس تضع قيودًا على مدى كفاءة أي نقل للحرارة. وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، ستفقد بعض الحرارة دائمًا في هذه العملية ، وهذا هو السبب في أنه من غير الممكن أن تكون هناك عملية قابلة للعكس تمامًا في العالم الحقيقي.

نسمي أي جهاز يحول الحرارة جزئيًا إلى عمل أو طاقة ميكانيكية أ محرك حراري. يقوم المحرك الحراري بذلك عن طريق نقل الحرارة من مكان إلى آخر ، وإنجاز بعض الأعمال على طول الطريق.

باستخدام الديناميكا الحرارية ، من الممكن تحليل الكفاءة الحرارية من محرك حراري ، وهذا موضوع يتم تناوله في معظم دورات الفيزياء التمهيدية. فيما يلي بعض المحركات الحرارية التي يتم تحليلها بشكل متكرر في دورات الفيزياء:

• محرك دمج داخلي - محرك يعمل بالوقود مثل تلك المستخدمة في السيارات. تحدد "دورة أوتو" العملية الديناميكية الحرارية لمحرك البنزين العادي. تشير "دورة الديزل" إلى محركات تعمل بالديزل.
• ثلاجة - محرك حراري في الاتجاه المعاكس ، تأخذ الثلاجة الحرارة من مكان بارد (داخل الثلاجة) وتنقلها إلى مكان دافئ (خارج الثلاجة).
• مضخة الحرارة - المضخة الحرارية هي نوع من المحركات الحرارية ، تشبه الثلاجة ، تستخدم لتسخين المباني عن طريق تبريد الهواء الخارجي.

في عام 1924 ، ابتكر المهندس الفرنسي سادي كارنوت محركًا افتراضيًا مثاليًا يتمتع بأقصى كفاءة ممكنة تتوافق مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. وصل إلى المعادلة التالية لكفاءته ، ه_كارنو:

ه_كارنو = ( ت_ح - ت_ج) / ت_ح

ت_ح و ت_ج هي درجات حرارة الخزانات الساخنة والباردة على التوالي. مع اختلاف كبير في درجة الحرارة ، يمكنك الحصول على كفاءة عالية. تأتي الكفاءة المنخفضة إذا كان فرق درجة الحرارة منخفضًا. تحصل فقط على كفاءة 1 (كفاءة 100٪) إذا ت_ج = 0 (أي قيمه مطلقه) وهو أمر مستحيل.