فيزياء

في محاولةٍ لزيادة كفاءة المحرك الحراري ، قام العالم الفرنسي سادي كارنو (1796-1832) بدراسة نموذجٍ نظريٍّ مثاليٍّ للمحرك الحراري عام 1824. في ذلك الوقت، لم يكن القانون الأول للديناميكا الحرارية قد صيغ بعد، ولا القانون الثاني. لم يكن القانون الأول قد صيغ لأن العلماء لم يكونوا قد أدركوا بعد أن الحرارة طاقة. بعد تجارب أجراها جول وزملاؤه في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، اكتشف العلماء أن الحرارة طاقة تنتقل نتيجةً لاختلاف درجات الحرارة. لذا، صيغ القانون الأول للديناميكا الحرارية بعد عام 1830. كان سادي كارنو يُجري أبحاثه على المحرك الحراري النظري المثالي عام 1824. وكان هدفه الأساسي من البحث هو زيادة كفاءة المحرك البخاري، إذ كانت معظم المحركات البخارية في ذلك الوقت أقل كفاءة.

اقراء المزيد

لتفسير العمليات الديناميكية الحرارية غير العكوسة، صاغ العلماء القانون الثاني للديناميكا الحرارية. يشرح هذا القانون العمليات التي يمكن أن تحدث في الكون والعمليات التي لا يمكن أن تحدث. وقد أدلى العالم ر. ج. إ. كلاوزيوس (1822-1888) بالتصريح التالي:

بطبيعة الحال، تنتقل الحرارة من الأجسام ذات درجة الحرارة العالية إلى الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة؛ وبطبيعة الحال، لا تنتقل الحرارة من الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى الأجسام ذات درجة الحرارة العالية (القانون الثاني للديناميكا الحرارية - بيان كلاوزيوس).

يُعدّ بيان كلاوزيوس أحد الصيغ الخاصة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. ويُسمى بيانًا خاصًا لأنه ينطبق على عملية واحدة فقط، وهي عملية انتقال الحرارة. ولأن هذا البيان لا يشمل عمليات أخرى، فنحن بحاجة إلى صيغة أكثر عمومية. ويستند تطوير صيغة عامة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية على دراسة المحركات الحرارية. لذا، سنتناول حرارة المحرك أولًا.

اقراء المزيد

العمليات الديناميكية الحرارية: متساوية الحرارة، كظيمة، متساوية الحجم، متساوية الضغط

هناك أربع عمليات ديناميكية حرارية، وهي العمليات متساوية الحرارة، ومتساوية الحجم، ومتساوية الضغط، والعمليات الكظيمة.

عملية متساوية الحرارة (درجة حرارة ثابتة)

في العملية متساوية الحرارة، تبقى درجة حرارة النظام ثابتة. نظريًا، يُعتبر النظام المدروس غازًا مثاليًا. تتناسب درجة حرارة الغاز المثالي طرديًا مع طاقته الداخلية المثالية (U = 3/2 n RT). بما أن T لا تتغير، فإن U لا تتغير أيضًا. وبالتالي، عند تطبيق القانون الأول للديناميكا الحرارية على العملية متساوية الحرارة، يصبح كالتالي:

اقراء المزيد

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.

اقراء المزيد