الديناميكا الحرارية هي فرع من الفيزياء يدرس العلاقة بين الحرارة والشغل والطاقة. قوانينها تحكم كل شيء من محركات السيارات إلى التفاعلات الكيميائية في أجسامنا!
المفاهيم الأساسية
النظام والمحيط
- النظام: الجزء الذي ندرسه (مثل غاز في أسطوانة)
- المحيط: كل ما هو خارج النظام
- الكون: النظام + المحيط
🔥 القانون الأول للديناميكا الحرارية
الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث، بل تتحول من شكل لآخر. التغير في الطاقة الداخلية يساوي الحرارة المضافة ناقص الشغل المبذول:
عند إضافة حرارة، يتمدد الغاز ويبذل شغلاً على المكبس
العمليات الخاصة:
- متساوية الحجم (Isochoric): W = 0، لذا ΔU = Q
- متساوية الضغط (Isobaric): W = PΔV
- متساوية الحرارة (Isothermal): ΔU = 0، لذا Q = W
- أديباتية (Adiabatic): Q = 0، لذا ΔU = -W
📝 مثال محلول
غاز مثالي يُسخَّن بإضافة 500 J من الحرارة عند ضغط ثابت. إذا تمدد الغاز وبذل شغلاً قدره 200 J، ما التغير في طاقته الداخلية؟
الحل:
ΔU = Q - W
ΔU = 500 - 200 = 300 J
الطاقة الداخلية زادت بمقدار 300 جول.
❄️ القانون الثاني للديناميكا الحرارية
الحرارة لا تنتقل تلقائياً من جسم بارد إلى جسم ساخن. الإنتروبي (الفوضى) في نظام معزول تزداد دائماً أو تبقى ثابتة.
(نظام مرتب)
(نظام فوضوي)
الأنظمة تميل طبيعياً نحو الفوضى (زيادة الإنتروبي)
كفاءة المحركات الحرارية
المحرك الحراري يأخذ حرارة من مصدر ساخن، يحول جزءاً منها لشغل، ويطرد الباقي للمصدر البارد.
Q_H = W + Q_C (حفظ الطاقة)
محرك كارنو المثالي:
أعلى كفاءة ممكنة لأي محرك يعمل بين درجتي حرارة:
دورة كارنو تتكون من عمليتين متساويتي الحرارة وعمليتين أديباتيتين
📝 مثال محلول
محرك حراري يعمل بين درجتي حرارة 127°C و 27°C. ما أقصى كفاءة ممكنة؟
الحل:
T_H = 127 + 273 = 400 K
T_C = 27 + 273 = 300 K
η = 1 - 300/400 = 1 - 0.75 = 0.25 = 25%
تطبيقات عملية
- الثلاجات والمكيفات: تعمل عكس المحرك الحراري
- محطات الطاقة: تحويل الطاقة الحرارية لكهرباء
- محركات الاحتراق: في السيارات والطائرات