لفهم العالم الواسع والمعقد للديناميكا الحرارية بطريقة سهلة ، يوصى بالذهاب خطوة بخطوة بدءًا بمراجعة المصطلحات الأساسية ، ومقدمة لمبادئ الديناميكا الحرارية ، ثم دراسة قوانين الديناميكا الحرارية بمزيد من العمق ، وكيفية ذلك. يتم التعبير عنها رياضيًا وتطبيقاتها.
مع القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية (قانون الصفر ، القانون الأول ، القانون الثاني والقانون الثالث) ، يتم وصف كيفية عمل عمليات نقل وتحولات الطاقة بين الأنظمة المختلفة ؛ كونها الأساس لفهم العديد من الظواهر الفيزيائية والكيميائية للطبيعة.
مراجعة المفاهيم الأساسية
نحن ندعوك لرؤية المقال الديناميكيات الحرارية ، ما هي وتطبيقاتها
يمكنك استكمال هذه المعلومات بالمقال قوة قانون واط (تطبيقات - تمارين) في الوقت الحاضر نتابع ...
أشكال الطاقة
تأتي الطاقة ، وهي خاصية الهيئات لتحويل نفسها من خلال تعديل وضعها أو حالتها ، في أشكال عديدة ، مثل الطاقة الحركية والطاقة الكامنة والطاقة الداخلية للأجسام. انظر الشكل 1.
عمل
إنه ناتج قوة وإزاحة ، وكلاهما يقاس في نفس الاتجاه. لحساب الشغل ، يتم استخدام مكون القوة الموازية لإزاحة الجسم. يُقاس العمل بوحدات Nm أو Joule (J) أو ft.lb-f أو BTU. انظر الشكل 2.
الحرارة (س)
نقل الطاقة الحرارية بين جسمين عند درجات حرارة مختلفة ويحدث فقط بمعنى انخفاض درجة الحرارة. تُقاس الحرارة بالجول أو وحدة حرارية بريطانية أو باوند قدم أو بالسعرات الحرارية. انظر الشكل 3.
مبادئ الديناميكا الحرارية
القانون الصفري - المبدأ الصفري
ينص قانون الديناميكا الحرارية الصفري على أنه إذا كان جسمان ، A و B ، في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض ، وكان الكائن A في حالة توازن مع كائن ثالث C ، فإن الكائن B يكون في حالة توازن حراري مع الكائن C. عندما يكون جسمان أو أكثر بنفس درجة الحرارة. انظر الشكل 4.
يعتبر هذا القانون قانونًا أساسيًا للديناميكا الحرارية. تم افتراضه على أنه "قانون الصفر" في عام 1935 ، حيث تم افتراضه بعد وضع القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية.
القانون الأول للديناميكا الحرارية (مبدأ الحفاظ على الطاقة)
بيان القانون الأول للديناميكا الحرارية:
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية ، المعروف أيضًا باسم مبدأ الحفاظ على الطاقة ، على أن الطاقة لا يتم إنشاؤها أو تدميرها ، بل يتم تحويلها فقط إلى نوع آخر من الطاقة ، أو يتم نقلها من كائن إلى آخر. وبالتالي فإن المقدار الإجمالي للطاقة في الكون لا يتغير.
يتم تحقيق القانون الأول في "كل شيء" ، يتم نقل الطاقة وتحويلها بشكل مستمر ، على سبيل المثال ، في بعض الأجهزة الكهربائية ، مثل الخلاطات والخلاطات ، يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية وحرارية ، في جسم الإنسان يتم تحويلها إلى مادة كيميائية طاقة الطعام التي يتم تناولها في الطاقة الحركية عندما يكون الجسم في حالة حركة ، أو أمثلة أخرى مثل تلك الموضحة في الشكل 5.
معادلة القانون الأول للديناميكا الحرارية:
تعبر معادلة القانون الأول ضمن مبادئ الديناميكا الحرارية عن التوازن الذي يجب أن يوجد بين الأنواع المختلفة للطاقة في عملية معينة. نظرًا لأنه ، في الأنظمة المغلقة [1] ، لا يمكن إعطاء تبادل الطاقة إلا عن طريق نقل الحرارة ، أو من خلال العمل المنجز (بواسطة أو على النظام) ، فقد ثبت أن تغير الطاقة في النظام يساوي مجموع نقل الطاقة من خلال الحرارة ومن خلال العمل. انظر الشكل 6.
بالنظر إلى أن الطاقات التي يتم أخذها في الاعتبار في توازن الطاقة هذا هي الطاقة الحركية والطاقة الكامنة والطاقة الداخلية [1] ، يظل توازن الطاقة للأنظمة المغلقة كما هو موضح في الشكل 7.
- (إك) الطاقة الحركية ، بسبب حركة الجسم.
- (الحلقة) الطاقة الكامنة، بسبب موقع الجسم في مجال الجاذبية ؛
- (U) الطاقة الداخلية ، بسبب المساهمات المجهرية للطاقة الحركية والمحتملة للجزيئات الداخلية للجسم.
التمرين 1.
تحتوي الحاوية محكمة الغلق على مادة ذات طاقة أولية قدرها 10 كيلو جول. يتم تقليب المادة بمروحة تعمل بقدرة 500 جول ، بينما ينقل مصدر الحرارة 20 كيلو جول من الحرارة إلى المادة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إطلاق 3 كيلو جول من الحرارة في الهواء أثناء العملية. حدد الطاقة النهائية للمادة. انظر الشكل 8.
الحل:
في الشكل 9 يمكنك رؤية الحرارة المضافة بواسطة مصدر الحرارة ، والتي تعتبر "موجبة" لأنها تزيد من طاقة المادة ، والحرارة المنبعثة في الهواء ، والسلبية لأنها تقلل من طاقة المادة ، و أخذ عمل المروحة التي زادت من الطاقة علامة إيجابية.
في الشكل 10 ، يظهر توازن الطاقة ، وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ويتم الحصول على الطاقة النهائية للمادة.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
هناك عدة بيانات للقانون الثاني للديناميكا الحرارية: بيان بلانك كيلفن ، كلاوسيوس ، كارنو. كل واحد منهم يظهر جانبا مختلفا من القانون الثاني. بشكل عام ، يفترض القانون الثاني للديناميكا الحرارية:
- اتجاه العمليات الديناميكية الحرارية ، عدم رجوع الظواهر الفيزيائية.
- كفاءة الآلات الحرارية.
- أدخل الخاصية "إنتروبيا".
اتجاه العمليات الديناميكية الحرارية:
تتدفق الطاقة تلقائيًا في الطبيعة أو تنتقل من أعلى حالة طاقة إلى أقل حالة طاقة. تتدفق الحرارة من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة وليس العكس. انظر الشكل 11.
الكفاءة أو الأداء الحراري:
وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، لا يتم إنشاء الطاقة أو تدميرها ، ولكن يمكن تحويلها أو نقلها. لكن في جميع عمليات نقل الطاقة أو التحولات ، لا يكون قدرًا منها مفيدًا للقيام بأي عمل. عندما يتم نقل الطاقة أو تحويلها ، يتم إطلاق جزء من الطاقة الأولية كطاقة حرارية: تتحلل الطاقة وتفقد الجودة.
في أي تحويل للطاقة ، تكون كمية الطاقة التي يتم الحصول عليها دائمًا أقل من الطاقة المزودة. الكفاءة الحرارية هي كمية الحرارة من المصدر التي يتم تحويلها إلى عمل ، والنسبة بين الطاقة المفيدة التي تم الحصول عليها والطاقة التي يتم توفيرها في عملية التحويل. انظر الشكل 12.
آلة حرارية أو آلة حرارية:
الآلة الحرارية هي جهاز يقوم بتحويل الحرارة جزئيًا إلى عمل أو طاقة ميكانيكية ، لذلك فهي تتطلب مصدرًا يوفر الحرارة عند درجة حرارة عالية.
في الآلات الحرارية ، يتم استخدام مادة مثل بخار الماء أو الهواء أو الوقود. تخضع المادة لسلسلة من التحولات الديناميكية الحرارية بطريقة دورية ، بحيث يمكن للآلة أن تعمل بشكل مستمر.
التمرين 2.
ينتج محرك سيارة الشحن حرارة أثناء الاحتراق عن طريق حرق البنزين. لكل دورة للمحرك ، يتم تحويل حرارة 5 كيلو جول إلى 1 كيلو جول من العمل الميكانيكي. ما هي كفاءة المحرك؟ ما مقدار الحرارة التي يتم إطلاقها لكل دورة للمحرك؟ انظر الشكل 13
الحل:
لتحديد الحرارة المنبعثة ، من المفترض أن صافي العمل في الآلات الحرارية يساوي صافي نقل الحرارة إلى النظام. انظر الشكل 14.
غير قادر علي:
الانتروبيا هي درجة العشوائية أو الفوضى في النظام. يجعل الانتروبيا من الممكن قياس جزء الطاقة الذي لا يمكن استخدامه لإنتاج العمل ، أي أنه يجعل من الممكن قياس عدم رجوع عملية الديناميكا الحرارية.
كل نقل للطاقة يحدث يزيد من إنتروبيا الكون ويقلل من كمية الطاقة القابلة للاستخدام المتاحة للقيام بالعمل. سوف تستمر أي عملية ديناميكية حرارية في اتجاه يزيد من الانتروبيا الكلية للكون. انظر الشكل 15.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية
القانون الثالث للديناميكا الحرارية أو مسلمة نيرست
يرتبط القانون الثالث للديناميكا الحرارية بدرجة الحرارة والتبريد. تنص على أن إنتروبيا النظام عند الصفر المطلق هو ثابت محدد. انظر الشكل 16.
الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة لا يوجد تحتها مقياس أقل ، إنه أبرد ما يمكن أن يكون عليه الجسم. الصفر المطلق هو 0 كلفن ، أي ما يعادل -273,15 درجة مئوية.
اختتام
هناك أربعة مبادئ للديناميكا الحرارية. في مبدأ الصفر ، ثبت أن التوازن الحراري يحدث عندما يكون جسمان أو أكثر في نفس درجة الحرارة.
يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الحفاظ على الطاقة بين العمليات ، بينما يتعامل القانون الثاني للديناميكا الحرارية مع الاتجاه من أدنى إلى أعلى إنتروبيا ، وكفاءة أو أداء المحركات الحرارية التي تحول الحرارة إلى عمل.
يرتبط القانون الثالث للديناميكا الحرارية بدرجة الحرارة والتبريد ، وينص على أن إنتروبيا النظام عند الصفر المطلق هو ثابت محدد.