الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء الذي يتعامل مع العلاقات بين الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى. تحديدًا، يصف كيفية تحويل الطاقة الحرارية من وإلى أشكال أخرى من الطاقة وكيف تؤثر على المادة. لم يتم التعرف على الحرارة رسميًا كشكل من أشكال الطاقة حتى حوالي عام 1798، عندما لاحظ الكونت رومفورد (Count Rumford) (السير بنيامين طومسون)، وهو مهندس عسكري بريطاني، أنه يمكن توليد كميات غير محدودة من الحرارة في براميل المدفع. تكمن ملاحظة رامفورد للتناسب بين الحرارة المتولدة والعمل المنجز في أساس الديناميكا الحرارية. الرائد الآخر كان المهندس العسكري الفرنسي سادي كارنو (Sadi Carnot)، الذي قدم مفهوم دورة المحرك الحراري ومبدأ الانعكاس في عام 1824.
يتعلق عمل كارنو بالقيود المفروضة على الحد الأقصى من العمل الذي يمكن الحصول عليه من محرك بخاري يعمل مع نقل الحرارة العالية كقوة دافعة لها. في وقت لاحق من ذلك، تم تطوير هذه الأفكار من قبل رودولف كلاوسيوس (Rudolf Clausius)، عالم الرياضيات والفيزيائي الألماني، في القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية، على التوالي.
الحرارة
الديناميكا الحرارية تهتم بعدة عوامل للمادة؛ ومن أهم هذه العوامل الحرارة. الحرارة هي الطاقة المنقولة بين المواد أو الأنظمة بسبب اختلاف درجة الحرارة بينها، وفقًا لقوانين الطاقة. يتم الحفاظ على الحرارة كشكل من أشكال الطاقة، أي لا يمكن خلقها أو تدميرها. ومع ذلك، يمكن نقلها من مكان إلى آخر. يمكن أيضًا تحويل الحرارة من وإلى أشكال أخرى من الطاقة. على سبيل المثال، يمكن للتوربينات البخارية تحويل الحرارة إلى طاقة حركية لتشغيل مولد يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. يمكن للمصباح الكهربائي تحويل هذه الطاقة الكهربائية إلى إشعاع كهرومغناطيسي (ضوء)، والذي عندما يتم امتصاصه بواسطة سطح، يتحول مرة أخرى إلى حرارة.
تعتمد كمية الحرارة المنقولة بواسطة مادة ما على سرعة وعدد الذرات أو الجزيئات المتحركة، وفقًا لقوانين الطاقة، كلما تحركت الذرات أو الجزيئات بشكل أسرع، زادت درجة الحرارة، وكلما زاد عدد الذرات أو الجزيئات المتحركة، زادت كمية الحرارة التي تنقلها.
درجة الحرارة
درجة الحرارة هي “مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات في عينة من المادة، معبرًا عنها من حيث الوحدات أو الدرجات المحددة على مقياس قياسي”، وفقًا لقاموس التراث الأمريكي، مقياس درجة الحرارة الأكثر استخدامًا هو Celsius، والذي يعتمد على نقاط التجمد والغليان للماء، مع تعيين قيم كل منها من 0 درجة مئوية و100 درجة مئوية. يعتمد مقياس فهرنهايت أيضًا على نقاط التجمد والغليان للماء التي تم تعيينها قيم 32 درجة فهرنهايت و212 فهرنهايت، على التوالي.
ومع ذلك، يستخدم العلماء في جميع أنحاء العالم مقياس كلفن (K بدون علامة درجة) في الحسابات. يستخدم هذا المقياس نفس الزيادة التي يستخدمها المقياس المئوي، أي أن التغير في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية يساوي 1 كلفن، ومع ذلك، فإن مقياس كلفن يبدأ من الصفر المطلق، وهي درجة الحرارة التي يكون عندها غياب تام للطاقة الحرارية وكل الجزيئات تتوقف عن الحركة. درجة حرارة 0 k تساوي 459.67 فهرنهايت أو ناقص 273.15 درجة مئوية.
انتقال الحرارة
يمكن أن تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر أو بين الجسم والبيئة من حوله بثلاث وسائل مختلفة: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع.
التوصيل هو نقل الطاقة من خلال مادة صلبة. يحدث التوصيل بين الأجسام عندما تكون على اتصال مباشر، وتنقل الجزيئات طاقتها عبر الواجهة.
الحمل الحراري هو نقل الحرارة من أو إلى وسط سائل. تنقل الجزيئات الموجودة في الغاز أو السائل الملامس لجسم صلب الحرارة أو تمتصها من أو إلى ذلك الجسم ثم تبتعد، مما يسمح للجزيئات الأخرى بالانتقال إلى مكانها وتكرار العملية. يمكن تحسين الكفاءة عن طريق زيادة مساحة السطح المراد تسخينه أو تبريده، كما هو الحال مع المبرد، وبإجبار السائل على التحرك فوق السطح، كما هو الحال مع المروحة.
الإشعاع هو انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية (EM)، وخاصة فوتونات الأشعة تحت الحمراء التي تحمل الطاقة الحرارية. تصدر جميع المواد بعض الإشعاعات الكهرومغناطيسية وتمتصها، وتحدد الكمية الصافية منها ما إذا كان هذا يتسبب في فقدان الحرارة أو زيادتها.
الإنتروبي
يميل أي نظام مغلق إلى التغير أو التحول تلقائيًا بزيادة أنتروبيته حتى يصل إلى حالة توزيع متساوٍ في جميع أجزائه، مثل تساوي درجة الحرارة، وتساوي الضغط، وتساوي الكثافة وغير تلك الصفات في نظام ما، وقد يحتاج النظام المعزول للوصول إلى هذا التوازن بعضًا من الوقت. مثال على ذلك، إلقاء قطرة من الحبر الأزرق في كوب ماء؛ نلاحظ أن قطرة الحبر تذوب وتنتشر رويدًا رويدًا في الماء، حتى يصبح كل جزء من الماء متجانسًا بما فيه من حبر وماء، فنقول أن أنتروبية النظام تزايدت (أي زادت العشوائية فيه، فلا يوجد به منطقة عالية التركيز وأخرى منخفضة التركيز، توزيع الحبر في الماء متساو). أي محاولة فصل الحبر الذائب عن الماء. فهذه العملية يتبعها خفض لأنتروبيا النظام، وكما نعرف هذا لا يسير وحده طبيعيًا؛ فلم نرَ في الطبيعة أن يتجمع الحبر ثانيًا ويحتل جزءًا منفصلًا في كوب الماء. ولكننا بأداء شغل يمكن فصلهما ثانيًا عن بعض. مثل تسخين المخلوط وتقطيره مثلًا. معنى ذلك أن خفض الإنتروبيا لا يتم إلا باستخدام طاقة خارجية، ألا وهي التسخين والتقطير في هذه الحالة. وهذا مثلًا ما نستعمله في تحلية المياه لفصل الملح عن ماء البحر وإنتاج ماء عذب.
مثال آخر طبيعي، إذا وقع كوب زجاجي من أعلى المنضدة على الأرض، فإنه يتحطم تمامًا، أي تكون إنتروبيتة الكوب قد زادت. فإذا أردنا إعادة الكوب إلى أصله السليم ثانيًا -وهذا لا يحدث ذاتيًا في الطبيعة- فإننا لا بد وأن نزاول شغل على النظام؛ بمعنى أننا نجمع قطع الزجاج المنكسر، ثم صهره في فرن، ثم صب الزجاج المنصهر في قالب من جديد، فنحصل على الكوب ثانيًا سليم. من هنا، اتخذت صفة الإنتروبيا لنظام في الطبيعة أهميتها. فهي تحدد اتجاه سير عملية ما طبيعيًا.
قوانين الديناميكا الحرارية
القانون الصفري: إذا كان نظامين حراريين في حالة توازن مع نظام ثالث، فعندئذ يكونان أيضًا في حالة توازن مع بعضهما البعض. هذا يحدد درجة الحرارة باعتبارها خاصية أساسية وقابلة للقياس للمادة.
القانون الأول: أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث، وإنما تتحول من صورة إلى أخرى. ويشخص القانون أن نقل الحرارة بين الأنظمة كنوع من أنواع نقل الطاقة.
إن ارتفاع الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي معين يساوي كمية الطاقة الحرارية المضافة للنظام، مطروح منه الشغل الميكانيكي المبذول من النظام إلى الوسط المحيط.
القانون الثاني: لا يمكن نقل الطاقة الحرارية من جسم عند درجة حرارة منخفضة إلى جسم عند درجة حرارة أعلى بدون إضافة طاقة. هذا هو السبب وراء تكلفة تشغيل مكيف الهواء.
القانون الثالث: يهتم القانون الثالث للديناميكا الحرارية فقط بسلوك الأنظمة التي تقترب درجة حرارتها من الصفر المطلق. تستخدم معظم حسابات علم الديناميكا الحرارية الإنتروبية فقط، وهي مقدارٌ فيزيائي لوغاريتمي يعبر عن كمية الطاقة الحرارية التي لا تقوم بعمل. لذلك، فإن نقطة الصفر على مقياس الإنتروبية ليست مهمة غالبًا.
ينص القانون الثالث على: «تساوي إنتروبية البللورة النقية الصفر عندما تساوي درجة حرارة البلورة الصفر المطلق (0 كلفن)». يجب أن تكون البلورة نقيةً خاليةً من الشوائب وإلا سيكون هناك اضطرابًا متأصلًا. كما لا بد أن تكون البللورة عند درجة حرارة الصفر كلفن، وإلا سيكون هناك طاقةٌ حراريةٌ في البلورة، مما يؤدي إلى اضطراب فيها.
كتابة: أحمد مغربي
تحرير: إسراء وصفي
