استكشف القوانين الثلاثة للديناميكا الحرارية

دعا فرع العلم الديناميكا الحرارية يتعامل مع الأنظمة القادرة على النقل طاقة حرارية في شكل واحد آخر على الأقل من الطاقة (الميكانيكية والكهربائية ، وما إلى ذلك) أو في العمل. تم تطوير قوانين الديناميكا الحرارية على مر السنين كإحدى القواعد الأساسية التي يتم اتباعها عندما يذهب النظام الديناميكي الحراري من خلال نوع من تغيير الطاقة.

يبدأ تاريخ الديناميكا الحرارية مع Otto von Guericke الذي بنى في عام 1650 أول مضخة تفريغ في العالم وأظهر فراغًا باستخدام نصفي كرة القدم Magdeburg. تم دفع Guericke إلى عمل فراغ لدحض افتراض أرسطو الذي طال أمده بأن `` الطبيعة تكره الفراغ ''. بعد وقت قصير من Guericke ، علم الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي روبرت بويل عن تصميمات Guericke ، وفي عام 1656 ، وبالتنسيق مع العالم الإنجليزي روبرت هوك ، قام ببناء مضخة هواء. باستخدام هذه المضخة ، لاحظ Boyle و Hooke وجود علاقة بين الضغط ودرجة الحرارة والحجم. مع مرور الوقت ، تمت صياغة قانون بويل ، الذي ينص على أن الضغط والحجم يتناسبان عكسيا.

ال قوانين الديناميكا الحرارية تميل إلى أن تكون سهلة الفهم إلى حد ما وفهم... لدرجة أنه من السهل التقليل من تأثيرها. من بين أمور أخرى ، وضعوا قيودًا على كيفية استخدام الطاقة في الكون. سيكون من الصعب للغاية التأكيد على مدى أهمية هذا المفهوم. تتطرق عواقب قوانين الديناميكا الحرارية إلى كل جانب من جوانب البحث العلمي تقريبًا بطريقة ما.

لفهم قوانين الديناميكا الحرارية ، من الضروري فهم بعض مفاهيم الديناميكا الحرارية الأخرى التي تتعلق بها.

• نظرة عامة على الديناميكا الحرارية - نظرة عامة على المبادئ الأساسية لمجال الديناميكا الحرارية
• طاقة حرارية - تعريف أساسي للطاقة الحرارية
• درجة الحرارة - تعريف أساسي لدرجة الحرارة
• مقدمة في نقل الحرارة - شرح لطرق نقل الحرارة المختلفة.
• العمليات الديناميكية الحرارية - تنطبق قوانين الديناميكا الحرارية في الغالب على العمليات الديناميكية الحرارية ، عندما يمر نظام الديناميكا الحرارية بنوع من النقل النشط.

بدأت دراسة الحرارة كشكل متميز من الطاقة في عام 1798 تقريبًا عندما السير بنيامين طومسون (المعروف أيضًا باسم الكونت رومفورد) ، وهو مهندس عسكري بريطاني ، لاحظ أن الحرارة يمكن أن تتولد بما يتناسب مع حجم العمل فعله... مفهوم أساسي سيصبح في نهاية المطاف نتيجة للقانون الأول للديناميكا الحرارية.

وضع الفيزيائي الفرنسي سادي كارنوت لأول مرة مبدأً أساسيًا للديناميكا الحرارية في عام 1824. المبادئ التي استخدمها كارنوت لتعريفه دورة كارنو سيترجم المحرك الحراري في النهاية إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية من قبل الفيزيائي الألماني رودولف كلاوسيوس ، الذي يُنسب إليه في كثير من الأحيان صياغة أول قانون الديناميكا الحرارية.

كان جزء من سبب التطور السريع للديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر هو الحاجة إلى تطوير محركات بخارية فعالة خلال الثورة الصناعية.

قوانين الديناميكا الحرارية لا تهتم بشكل خاص بكيفية ولماذا نقل الحرارة، وهو أمر منطقي للقوانين التي صيغت قبل اعتماد النظرية الذرية بالكامل. يتعاملون مع مجموع تحويلات الطاقة والحرارة داخل النظام ولا يأخذون في الاعتبار الطبيعة المحددة لانتقال الحرارة على المستوى الذري أو الجزيئي.

هذه قانون الصفر هو نوع من الملكية العابرة للتوازن الحراري. تقول الخاصية متعدية الرياضيات أنه إذا كان A = B و B = C ، فإن A = C. وينطبق الشيء نفسه على الأنظمة الديناميكية الحرارية الموجودة في التوازن الحراري.

إحدى نتائج قانون الصفر هي فكرة أن القياس درجة الحرارة له أي معنى على الإطلاق. من أجل قياس درجة الحرارة ، توازن حراري يجب الوصول إليها بين مقياس الحرارة ككل ، والزئبق داخل مقياس الحرارة ، والمادة التي يتم قياسها. وهذا بدوره يؤدي إلى القدرة على معرفة درجة حرارة المادة بدقة.

تم فهم هذا القانون دون ذكره بوضوح من خلال الكثير من تاريخ الديناميكا الحرارية الدراسة ، وأدرك فقط أنه كان قانونًا في حد ذاته في بداية العشرين مئة عام. كان الفيزيائي البريطاني رالف هـ. فاولر الذي صاغ مصطلح "القانون صفر" لأول مرة ، على أساس الاعتقاد بأنه أكثر جوهرية حتى من القوانين الأخرى.

على الرغم من أن هذا قد يبدو معقدًا ، إلا أنها فكرة بسيطة جدًا حقًا. إذا أضفت الحرارة إلى النظام ، فهناك شيئان فقط يمكن القيام بهما - تغيير الطاقة الداخلية النظام أو التسبب في قيام النظام بعمل (أو ، بالطبع ، مزيج من الاثنين). يجب أن تذهب كل الطاقة الحرارية للقيام بهذه الأشياء.

يستخدم الفيزيائيون عادة اصطلاحات موحدة لتمثيل الكميات في القانون الأول للديناميكا الحرارية. هم انهم:

• ش1 (أو شط) = الطاقة الداخلية الأولية في بداية العملية
• ش2 (أو شو) = الطاقة الداخلية النهائية في نهاية العملية
• دلتا-ش = ش2 - ش1 = تغير في الطاقة الداخلية (يستخدم في الحالات التي تكون فيها تفاصيل بداية ونهاية الطاقات الداخلية غير ذات صلة)
• س = الحرارة تنتقل إلى (س > 0) أو خارج (س <0) النظام
• دبليو = عمل يقوم به النظام (دبليو > 0) أو على النظام (دبليو < 0).

ينتج عن ذلك تمثيلًا رياضيًا للقانون الأول الذي يثبت أنه مفيد جدًا ويمكن إعادة كتابته ببضع طرق مفيدة:

تحليل أ عملية الديناميكا الحرارية، على الأقل في حالة الفصول الدراسية في الفيزياء ، ينطوي بشكل عام على تحليل الموقف حيث تكون إحدى هذه الكميات إما 0 أو على الأقل يمكن السيطرة عليها بطريقة معقولة. على سبيل المثال ، في عملية ثابت الحرارة، انتقال الحرارة (س) يساوي 0 بينما في عملية متساوي الساقين العمل (دبليو) يساوي 0.

ال القانون الأول ينظر الكثيرون إلى الديناميكا الحرارية على أنها أساس مفهوم الحفاظ على الطاقة. تقول بشكل أساسي أن الطاقة التي تدخل في النظام لا يمكن فقدها على طول الطريق ، ولكن يجب استخدامها لفعل شيء... في هذه الحالة ، إما تغيير الطاقة الداخلية أو أداء العمل.

من وجهة النظر هذه ، فإن القانون الأول للديناميكا الحرارية هو واحد من أكثر المفاهيم العلمية البعيدة المكتشفة على الإطلاق.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية: تمت صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية بعدة طرق ، كما سيتم تناوله قريبًا ، ولكنه في الأساس قانون التي - على عكس معظم القوانين الأخرى في الفيزياء - لا تتعامل مع كيفية القيام بشيء ما ، بل تتعامل تمامًا مع وضع قيود على ما يمكن أن يكون فعله.

إنه قانون ينص على أن الطبيعة تمنعنا من الحصول على أنواع معينة من النتائج دون بذل الكثير من العمل فيها ، وبالتالي فهي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا مفهوم الحفاظ على الطاقة، مثل أول قانون للديناميكا الحرارية.

في التطبيقات العملية ، يعني هذا القانون أن أي محرك حراري أو جهاز مشابه يعتمد على مبادئ الديناميكا الحرارية ، لا يمكن ، حتى من الناحية النظرية ، أن يكون فعالًا بنسبة 100٪.

تم تسليط الضوء على هذا المبدأ لأول مرة من قبل الفيزيائي والمهندس الفرنسي سادي كارنو ، أثناء تطويره له دورة كارنو المحرك في عام 1824 ، وتم إضفاء الطابع الرسمي عليه لاحقًا كقانون من الديناميكا الحرارية من قبل الفيزيائي الألماني رودولف كلاوسيوس.

ربما يكون القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو الأكثر شيوعًا خارج عالم الفيزياء لأنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمفهوم غير قادر علي أو الاضطراب الناتج خلال عملية الديناميكا الحرارية. أعيدت صياغته كبيان بشأن الانتروبيا ، ينص القانون الثاني على ما يلي:

بعبارة أخرى ، في أي نظام مغلق ، في كل مرة يمر فيها النظام بعملية ديناميكية حرارية ، لا يمكن للنظام أن يعود تمامًا إلى نفس الحالة التي كان عليها من قبل. هذا تعريف يستخدم ل سهم الوقت لأن الكون الكون سيزداد دائمًا بمرور الوقت وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

إن التحول الدوري الذي تكون نتيجته النهائية الوحيدة هي تحويل الحرارة المستخرجة من مصدر في نفس درجة الحرارة طوال الوقت إلى عمل مستحيل. - الفيزيائي الاسكتلندي ويليام طومسون (تحول دوري النتيجة النهائية الوحيدة هي نقل الحرارة من الجسم عند درجة حرارة معينة إلى الجسم عند درجة حرارة أعلى أمر مستحيل. - الفيزيائي الألماني رودولف كلاوسيوس

جميع الصيغ المذكورة أعلاه للقانون الثاني للديناميكا الحرارية هي عبارات معادلة لنفس المبدأ الأساسي.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية هو في الأساس بيان حول القدرة على إنشاء مطلق مقياس درجة الحرارة ، والذي الصفر المطلق هي النقطة التي تكون عندها الطاقة الداخلية للمادة الصلبة بالضبط 0.

تظهر مصادر مختلفة الصيغ الثلاثة المحتملة للقانون الثالث للديناميكا الحرارية:

1. من المستحيل تقليل أي نظام إلى الصفر المطلق في سلسلة محدودة من العمليات.
2. يميل الكون من الكريستال المثالي لعنصر في شكله الأكثر استقرارًا إلى الصفر مع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق.
3. مع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق ، تقترب إنتروبيا النظام من ثابت

القانون الثالث يعني بعض الأشياء ، ومرة ​​أخرى كل هذه التركيبات تؤدي إلى نفس النتيجة اعتمادًا على مقدار ما تأخذه في الاعتبار:

تحتوي الصيغة 3 على القيود الأقل ، وتوضح فقط أن الكون ينتقل إلى ثابت. في الواقع ، هذا الثابت هو انتروبيا صفرية (كما هو مذكور في الصيغة 2). ومع ذلك ، نظرًا لقيود الكم على أي نظام مادي ، فسوف ينهار إلى أدنى حالة كمية ولكن لن يكون قادرًا على تقليله تمامًا إلى 0 إنتروبيا ، لذلك من المستحيل اختزال النظام المادي إلى الصفر المطلق في عدد محدود من الخطوات (مما ينتج عنه صياغة 1).