الديناميكا الحرارية ، ما هي وتطبيقاتها

الديناميكا الحرارية علم يعتمد على دراسة الطاقة. تحدث العمليات الديناميكية الحرارية يوميًا في الحياة اليومية ، في المنازل ، في الصناعة ، مع تحول الطاقة ، كما هو الحال في معدات تكييف الهواء ، والثلاجات ، والسيارات ، والمراجل ، وغيرها. ومن هنا تأتي أهمية دراسة الديناميكا الحرارية ، بناءً على أربعة قوانين أساسية تحدد العلاقات بين نوعية وكمية الطاقة ، والخصائص الديناميكية الحرارية.

لفهم قوانين الديناميكا الحرارية ، بطريقة سهلة ، يجب على المرء أن يبدأ من بعض المفاهيم الأساسية التي يتم الكشف عنها أدناه ، مثل الطاقة والحرارة ودرجة الحرارة ، من بين أمور أخرى.

نحن ندعوك لرؤية المقال قوة قانون واط (تطبيقات - تمارين)

الديناميكا الحرارية

القليل من التاريخ:

الديناميكا الحرارية تدرس تبادلات وتحولات الطاقة في العمليات. بدأ جاليليو بالفعل في القرن السابع عشر بإجراء دراسات في هذا المجال ، مع اختراع مقياس الحرارة الزجاجي ، والعلاقة بين كثافة السائل ودرجة حرارته.

مع الثورة الصناعية ، يتم إجراء دراسات لمعرفة العلاقات بين الحرارة والعمل وطاقة الوقود ، وكذلك لتحسين أداء المحركات البخارية ، والديناميكا الحرارية الناشئة كعلم دراسة ، بدءًا من عام 1697 مع محرك Thomas Savery البخاري. . تم وضع القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية في عام 1850. وقد ساهم العديد من العلماء مثل جول ، كيلفن ، كلاوزيوس ، بولتزمان ، كارنو ، كلابيرون ، جيبس ​​، ماكسويل ، من بين آخرين ، في تطوير هذا العلم ، "الديناميكا الحرارية".

ما هي الديناميكا الحرارية؟

الديناميكا الحرارية علم يدرس تحولات الطاقة. منذ البداية تم دراسة كيفية تحويل الحرارة إلى طاقة ، في المحركات البخارية ، تم استخدام الكلمتين اليونانيتين "الترمس" و "الديناميس" لتسمية هذا العلم الجديد ، وتشكيل كلمة "الديناميكا الحرارية". انظر الشكل 1.

تطبيقات الديناميكا الحرارية

مجال تطبيق الديناميكا الحرارية واسع جدًا. يحدث تحول الطاقة في عمليات متعددة من جسم الإنسان ، مع هضم الطعام ، إلى العديد من العمليات الصناعية لإنتاج المنتجات. يوجد في المنازل أيضًا أجهزة يتم فيها تطبيق الديناميكا الحرارية على المكواة وسخانات المياه ومكيفات الهواء وغيرها. يتم تطبيق مبادئ الديناميكا الحرارية أيضًا في مجموعة متنوعة من المجالات ، مثل محطات الطاقة والسيارات والصواريخ. انظر الشكل 2.

أساسيات الديناميكا الحرارية

الطاقة (E)

ممتلكات أي جسم أو نظام مادي أو غير مادي يمكن تغييره عن طريق تعديل وضعه أو حالته. يتم تعريفه أيضًا على أنه القدرة أو القدرة على تحريك المادة. في الشكل 3 يمكنك رؤية بعض مصادر الطاقة.

أشكال الطاقة

تأتي الطاقة بأشكال عديدة ، مثل طاقة الرياح ، والكهرباء ، والميكانيكية ، والطاقة النووية ، وغيرها. في دراسة الديناميكا الحرارية ، يتم استخدام الطاقة الحركية والطاقة الكامنة والطاقة الداخلية للأجسام. ترتبط الطاقة الحركية (Ec) بالسرعة والطاقة الكامنة (Ep) مع الارتفاع والطاقة الداخلية (U) بحركة الجزيئات الداخلية. انظر الشكل 4.

الحرارة (س):

نقل الطاقة الحرارية بين جسمين بدرجات حرارة مختلفة. تُقاس الحرارة بالجول أو وحدة حرارية بريطانية أو باوند-قدم أو بالسعرات الحرارية.

درجة الحرارة (T):

إنه مقياس للطاقة الحركية للذرات أو الجزيئات التي تشكل أي جسم مادي. يقيس درجة إثارة الجزيئات الداخلية لجسم ما ، من طاقته الحرارية. كلما زادت حركة الجزيئات ، ارتفعت درجة الحرارة. تُقاس بالدرجات المئوية أو الكلفن أو درجات رانكين أو درجات فهرنهايت. في الشكل 5 ، يتم تقديم التكافؤ بين بعض مقاييس درجة الحرارة.

مبادئ الديناميكا الحرارية

تعتمد دراسة تحولات الطاقة في الديناميكا الحرارية على أربعة قوانين. يتعلق القانونان الأول والثاني بنوعية وكمية الطاقة ؛ بينما يرتبط القانونان الثالث والرابع بخصائص الديناميكا الحرارية (درجة الحرارة والنتروبيا). انظر الشكلين 6 و 7.

القانون الأول للديناميكا الحرارية:

أرسى القانون الأول مبدأ الحفاظ على الطاقة. يمكن نقل الطاقة من جسم إلى آخر ، أو تغييرها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة ، ولكن يتم الحفاظ عليها دائمًا ، لذلك يظل إجمالي الطاقة ثابتًا دائمًا.

منحدر التزلج هو مثال جيد لقانون الحفاظ على الطاقة ، حيث وجد أن الطاقة لا يتم إنشاؤها أو تدميرها ، ولكن يتم تحويلها إلى نوع آخر من الطاقة. بالنسبة لمتزلج مثل المتزلج الموضح في الشكل 8 ، عندما تؤثر قوة الجاذبية فقط ، يتعين علينا:

• الموضع 1: عندما يكون المتزلج على قمة المنحدر ، يكون لديه طاقة داخلية وطاقة كامنة بسبب الارتفاع الذي هو عليه ، لكن طاقته الحركية تساوي صفرًا لأنه ليس في حالة حركة (السرعة = 0 م / ث).
• الموضع 2: عندما يبدأ المتزلج في الانزلاق على المنحدر ، يتناقص الارتفاع ، مما يقلل من الطاقة الداخلية والطاقة الكامنة ، ولكن يزيد من طاقته الحركية ، مع زيادة سرعته. تتحول الطاقة إلى طاقة حركية. عندما يصل المتزلج إلى أدنى نقطة في المنحدر (الموضع 2) ، تكون طاقته الكامنة صفرًا (الارتفاع = 0 م) ، بينما يكتسب أعلى سرعة في رحلته إلى أسفل المنحدر.
• الموضع 3: مع ارتفاع المنحدر ، يفقد المتزلج السرعة ، مما يقلل من طاقته الحركية ، لكن الطاقة الداخلية تزداد ، والطاقة الكامنة ، مع زيادة ارتفاعه.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

يتعلق القانون الثاني بـ "جودة" الطاقة ، في تحسين تحويل و / أو نقل الطاقة. ينص هذا القانون على أنه في العمليات الحقيقية تميل جودة الطاقة إلى الانخفاض. تم تقديم تعريف الخاصية الديناميكية الحرارية "الإنتروبيا". في بيانات القانون الثاني ، يتم تحديده عندما يمكن أن تحدث عملية وعندما لا يمكن ذلك ، حتى لو استمر الالتزام بالقانون الأول. انظر الشكل 9.

قانون الصفر:

ينص قانون الصفر على أنه إذا كان نظامان في حالة توازن مع نظام ثالث فإنهما في حالة توازن مع بعضهما البعض. على سبيل المثال ، بالنسبة للشكل 10 ، إذا كان A في حالة توازن حراري مع C ، وكان C في حالة توازن حراري مع B ، فإن A في حالة توازن حراري مع B.

مفاهيم أخرى لـ T.ديناميكا الجلد

نظام

جزء من الكون يهم أو يدرس. بالنسبة لفنجان القهوة في الشكل 11 ، "النظام" هو محتوى الكوب (القهوة) حيث يمكن دراسة نقل الطاقة الحرارية. انظر الشكل 12. [4]

بيئة

إنه باقي الكون خارج النظام قيد الدراسة. في الشكل 12 ، يعتبر فنجان القهوة "الحد" الذي يحتوي على (نظام) القهوة وما هو خارج الكوب (الحدود) هو "بيئة" النظام.

التوازن الديناميكي الحراري

الحالة التي تكون فيها خصائص النظام محددة جيدًا ولا تتغير بمرور الوقت. عندما يقدم النظام التوازن الحراري والتوازن الميكانيكي والتوازن الكيميائي ، فإنه يكون في "التوازن الديناميكي الحراري". في حالة التوازن ، لا يمكن للنظام تعديل حالته ما لم يعمل عليه وكيل خارجي. انظر الشكل 13.

جدار

الكيان الذي يسمح أو يمنع التفاعلات بين الأنظمة. إذا سمح الجدار بمرور المادة ، يقال إنه جدار قابل للاختراق. جدار ثابت الحرارة هو الجدار الذي لا يسمح بنقل الحرارة بين نظامين. عندما يسمح الجدار بنقل الطاقة الحرارية ، يطلق عليه جدار الإنفاذ الحراري. انظر الشكل 14.

استنتاجات

الطاقة هي القدرة على تحريك المادة. يمكن تغيير هذا عن طريق تعديل وضعه أو حالته.

الديناميكا الحرارية علم يدرس تبادلات وتحولات الطاقة في العمليات. تعتمد دراسة تحولات الطاقة في الديناميكا الحرارية على أربعة قوانين. يتعلق القانونان الأول والثاني بنوعية وكمية الطاقة ؛ بينما يرتبط القانونان الثالث والرابع بخصائص الديناميكا الحرارية (درجة الحرارة والنتروبيا).

درجة الحرارة هي مقياس لدرجة اهتياج الجزيئات التي يتكون منها الجسم ، في حين أن الحرارة هي نقل الطاقة الحرارية بين جسمين عند درجات حرارة مختلفة.

يوجد التوازن الديناميكي الحراري عندما يكون النظام في نفس الوقت في حالة توازن حراري وتوازن ميكانيكي وتوازن كيميائي.

شكرا لك ملاحظة: لتطوير هذا المقال تشرفنا بالحصول على مشورة المهندس ماريسول بينو ، متخصص في الأجهزة والتحكم الصناعي.