القانون الأول للديناميكا الحرارية

عملية ديناميكية حرارية

الحرارة (Q) هي الطاقة التي تنتقل من جسم إلى آخر نتيجةً لاختلاف درجة الحرارة. أما بالنسبة للأنظمة والبيئات، فالحرارة هي الطاقة التي تنتقل من النظام إلى البيئة أو العكس، نتيجةً لاختلاف درجة الحرارة. إذا كانت درجة حرارة النظام أعلى من درجة حرارة البيئة المحيطة، فإن الحرارة ستنتقل من النظام إلى البيئة. وإذا كانت درجة حرارة البيئة المحيطة أعلى من درجة حرارة النظام، فإن الحرارة ستنتقل من البيئة إلى النظام.

الحرارة (Q) هي الطاقة التي تنتقل نتيجةً لاختلاف درجات الحرارة، بينما الشغل (W) يرتبط بانتقال الطاقة من خلال الشغل. على سبيل المثال، إذا بذل النظام شغلاً على البيئة المحيطة، فإن الطاقة تنتقل من النظام إلى البيئة. وعلى العكس، إذا بذلت البيئة شغلاً على النظام، فإن الطاقة تنتقل من البيئة إلى النظام.

الطاقة الداخلية والقانون الأول للديناميكا الحرارية

الطاقة الداخلية (U) للنظام هي مجموع الطاقة الحركية الجزيئية فيه، بالإضافة إلى مقدار طاقة الوضع الناتجة عن التفاعل بين جزيئاته. إذا انتقلت الحرارة من المحيط إلى النظام (أي إذا اكتسب النظام طاقة)، ​​فإن طاقته تزداد. وعلى العكس، إذا بذل النظام شغلاً على المحيط (أي إذا أطلق طاقة)، ​​فإن طاقته تنقص.

استنادًا إلى قانون حفظ الطاقة، فإن تغيرات الطاقة الداخلية في النظام = يتم إضافة الحرارة إلى النظام (يتلقى النظام الطاقة) مطروحًا منها العمل الذي يقوم به النظام (يطلق النظام الطاقة).

ΔU = تغيرات الطاقة الداخلية، Q = الحرارة، W = الشغل

الطاقة الداخلية هي كمية مجهرية للنظام، لذا لا يمكن معرفة قيمتها. بينما يمكن معرفة التغيرات في الطاقة الداخلية من خلال الطاقة المضافة إلى النظام والطاقة المنبعثة منه على شكل حرارة وشغل. في المقابل، تُعرف الكميات العيانية مثل درجة الحرارة (T) والضغط (p) والحجم (V) والكتلة (m) أو عدد المولات (n).

لا تشارك الحرارة والشغل إلا في عملية نقل الطاقة بين النظام والبيئة المحيطة. ولا تُعدّ الحرارة والشغل كميةً تُحدد حالة النظام.

قواعد الإشارة للحرارة (Q) والشغل (W)

تُعدّل قواعد الإشارة للحرارة والشغل وفقًا لمعادلة القانون الأول للديناميكا الحرارية. الحرارة (Q) في المعادلة أعلاه هي الحرارة المضافة إلى النظام (Q موجبة)، بينما الشغل (W) في المعادلة أعلاه هو الشغل المبذول من قِبل النظام (W موجبة). إذا غادرت الحرارة النظام، فإن Q سالبة. وإذا بُذل شغل على النظام، فإن W سالبة.

مثال 1 :

إذا أُضيفت حرارة مقدارها 2000 جول إلى النظام، بينما يبذل النظام شغلاً مقداره 1000 جول، فما مقدار التغير في الطاقة الداخلية للنظام؟

الحلول

Δ U = Q – W = 2000 – 1000= 1000 جول.

يمتص النظام 2000 جول من الحرارة (يتلقى النظام طاقة)، ​​كما يُنتج 1000 جول من الشغل (يُطلق النظام طاقة). التغير في طاقة النظام = 1000 جول.

مثال 2 :

تخرج حرارة مقدارها 2000 جول من النظام. يبذل النظام شغلاً مقداره 1000 جول. احسب تغيرات الطاقة الداخلية للنظام.

الحلول

إذا أطلق النظام حرارة، فإن قيمة Q تكون سالبة.

Δ U = Q – W = -2000 – 1000= -3000 جول.

يُطلق النظام حرارة مقدارها 2000 جول. كما يُنجز النظام شغلاً مقداره 1000 جول (أي يُطلق طاقة). وبذلك، تنخفض الطاقة الداخلية للنظام بمقدار 3000 جول.

مثال 3 :

أُضيفت كمية حرارة مقدارها 2000 جول إلى النظام، وبُذل شغل مقداره 1000 جول على النظام. احسب تغيرات الطاقة الداخلية للنظام.

الحلول

تم إنجاز عمل على النظام، لذا فإن قيمة W سالبة.

Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 جول.

تزداد الطاقة الداخلية للنظام بمقدار 3000 جول.