ما هي عملية متساوي الحرارة في الفيزياء؟

يدرس علم الفيزياء الأجسام والأنظمة لقياس حركاتها ودرجات الحرارة والخصائص الفيزيائية الأخرى. يمكن تطبيقه على أي شيء من الكائنات الحية وحيدة الخلية إلى الأنظمة الميكانيكية إلى الكواكب والنجوم والمجرات والعمليات التي تحكمها. داخل الفيزياء ، الديناميكا الحرارية هي الفرع الذي يركز على التغييرات الطاقة (الحرارة) في خصائص النظام أثناء أي تفاعل فيزيائي أو كيميائي.

"العملية الحرارية" ، وهي العملية الديناميكية الحرارية التي تظل فيها درجة حرارة النظام ثابتة. ال نقل الحرارة داخل أو خارج النظام يحدث ببطء شديد توازن حراري هو الحفاظ عليها. "الحرارية" هو مصطلح يصف حرارة النظام. "Iso" تعني "يساوي" ، لذلك "متساوي الحرارة" يعني "تساوي الحرارة" ، وهو ما يعرف التوازن الحراري.

بشكل عام ، أثناء عملية متساوي الحرارة هناك تغيير في الداخلية الطاقة, طاقة حراريةو عمل، على الرغم من أن درجة الحرارة لا تزال هي نفسها. يعمل شيء ما في النظام للحفاظ على درجة حرارة متساوية. أحد الأمثلة المثالية البسيطة هو دورة Carnot ، التي تصف بشكل أساسي كيفية عمل المحرك الحراري من خلال تزويد الحرارة بالغاز. نتيجة لذلك ، يتمدد الغاز في اسطوانة ، وهذا يدفع المكبس للقيام ببعض الأعمال. يجب بعد ذلك إخراج الحرارة أو الغاز من الاسطوانة (أو تفريغها) بحيث يمكن أن تحدث دورة الحرارة / التمدد التالية. هذا ما يحدث داخل محرك السيارة ، على سبيل المثال. إذا كانت هذه الدورة فعالة تمامًا ، تكون العملية متساوية الحرارة لأن درجة الحرارة تظل ثابتة بينما يتغير الضغط.

لفهم أساسيات عملية متساوي الحرارة ، والنظر في عمل الغازات في النظام. الطاقة الداخلية لل غاز مثالي يعتمد فقط على درجة الحرارة ، وبالتالي فإن التغير في الطاقة الداخلية خلال عملية متساوي الحرارة ل غاز مثالي هو أيضا 0. في مثل هذا النظام ، تؤدي جميع الحرارة المضافة إلى نظام (من الغاز) العمل للحفاظ على العملية الحرارية ، طالما ظل الضغط ثابتًا. بشكل أساسي ، عند التفكير في غاز مثالي ، فإن العمل المنجز على النظام للحفاظ على درجة الحرارة يعني أن حجم الغاز يجب أن ينخفض ​​كلما زاد الضغط على النظام.

عمليات متساوي الحرارة كثيرة ومتنوعة. تبخر الماء في الهواء هو واحد ، وكذلك غليان الماء عند نقطة غليان محددة. هناك أيضًا العديد من التفاعلات الكيميائية التي تحافظ على التوازن الحراري ، وفي علم الأحياء ، يقال إن تفاعلات الخلية مع الخلايا المحيطة بها (أو أي مادة أخرى) هي عملية متساوية الحرارة.

التبخر ، الذوبان ، والغليان ، هي أيضًا "تغييرات طورية". أي أنها تغييرات في الماء (أو سوائل أو غازات أخرى) تحدث عند درجة حرارة وضغط ثابتين.

في الفيزياء ، يتم رسم مثل هذه التفاعلات والعمليات باستخدام الرسوم البيانية (الرسوم البيانية). في منحنى الطور، يتم رسم عملية متساوية الحرارة باتباع خط عمودي (أو مستوي ، في ثلاثي الأبعاد) منحنى الطور) على طول درجة حرارة ثابتة. يمكن أن يتغير الضغط والحجم من أجل الحفاظ على درجة حرارة النظام.

بما أنهم يتغيرون ، فمن الممكن أن تغير مادة ما حالة المسألة حتى في حين أن درجة الحرارة لا تزال ثابتة. وبالتالي ، فإن تبخر الماء أثناء الغليان يعني أن درجة الحرارة تظل كما هي حيث يغير النظام الضغط والحجم. يتم رسم ذلك بعد ذلك مع بقاء درجة الحرارة المعتدلة ثابتة على طول المخطط.

عندما يدرس العلماء العمليات الحرارية في النظم ، فإنهم يفحصون الحرارة والطاقة بالفعل اتصال بينهما والطاقة الميكانيكية التي يتطلبها تغيير أو الحفاظ على درجة حرارة أ النظام. يساعد هذا الفهم علماء الأحياء على دراسة كيفية تنظيم الكائنات الحية لدرجات الحرارة. كما أنه يلعب دورًا في الهندسة وعلوم الفضاء وعلوم الكواكب والجيولوجيا والعديد من فروع العلوم الأخرى. تعد دورات الطاقة الحرارية (وبالتالي العمليات الحرارية) هي الفكرة الأساسية وراء المحركات الحرارية. يستخدم البشر هذه الأجهزة لتشغيل محطات توليد الكهرباء ، وكما ذكر أعلاه ، السيارات والشاحنات والطائرات والمركبات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، توجد مثل هذه الأنظمة على الصواريخ والمركبات الفضائية. يطبق المهندسون مبادئ الإدارة الحرارية (بمعنى آخر ، إدارة درجة الحرارة) لزيادة كفاءة هذه الأنظمة والعمليات.

تحرير وتحديث بواسطة كارولين كولينز بيترسن.