القانون الأول في الديناميكا الحرارية
يمتلك النظام الديناميكي الحراري في حالة التوازن متغير يُعرف باسم الطاقة الداخلية (E)، وهي خاصية ديناميكية حرارية للنظام تشير إلى الطاقة المرتبطة بجزيئات النظام، والتي تشمل الطاقة الحركية والطاقة الكامنة، ويشرح مجال الديناميكا الحرارية في الفيزياء العلاقة بين الحرارة والشغل ومفهوم الطاقة الداخلية في النظام، إذ يؤدي التفاعل بين الحرارة والشغل والطاقة الداخلية إلى العديد من عمليات نقل وتحول للطاقة، مع الحفاظ على صافي إجمالي الطاقة ثابتًا، وينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الطاقة في الكون، أو في النظام تبقى كما هي، على الرغم من تحولها أو انتقالها من وإلى المناطق المحيطة، إلا أنه لا يمكن استحداثها أو إفناؤها.[١][٢]
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة، وينطبق عليها قانون حفظ الطاقة، الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث بل تتحول من شكل إلى آخر.
ولفهم معنى القانون الأول، يمكننا فهم تطبيقاته في المحرك الحراري، ففي المحرك الحراري، يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية والعكس صحيح، وتُصنف المحركات الحرارية في الغالب على أنها أنظمة مفتوحة، يقوم مبدأ عملها الأساسي على العلاقات المختلفة بين الحرارة والضغط وحجم المائع (عادةً غاز).[١]
أنظمة الديناميكا الحرارية
تُصنف أنظمة الديناميكا الحرارية إلى:[٣][٤]
- النظام المغلق: هو نظام لا يُسمح فيه بتبادل المادة أو الطاقة بين النظام والمحيط، مثل غاز محاط بجدران غير متحركة وعازلة للحرارة.
- النظام المفتوح: هو نظام يُسمح فيه بتبادل المادة أو الطاقة بين النظام والمحيط، مثل عملية احتراق الخشب في المدفأة، حيث يمكن للطاقة والمادة الانتقال بين النظام والمحيط، مثل أن تُضيف الخشب إلى المدفأة أو أن تشعلها.
ولأن معظم الأنظمة الحرارية أنظمة مفتوحة وليست مغلقة، يمكن إعادة صياغة قانون حفظ على الطاقة لينص على أن التغيير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي الفرق بين كمية الطاقة الداخلة مطروحًا منها كمية الطاقة الخارجة، وبمعنى آخر، يمكن أن تتغير كمية الطاقة في النظام، ولكن فقط إذا كانت تأتي من نظام آخر أو انتقلت إلى نظام آخر.[٣]
معادلة القانون الأول لمعادلة الديناميكا الحرارية
يتم التعبير عن صيغة معادلة القانون الأول للديناميكا الحرارية على النحو الآتي:[١]
ΔU = q + W
حيث إن:
ΔU: التغيير في الطاقة الداخلية للنظام.
q: المجموع الجبري لانتقالات الحرارة بين النظام والمناطق المحيطة.
W: الشغل المبذول على النظام.
مثال:
في نظام يحتوي على غاز بضغط ثابت، فقد النظام 45 جول من الحرارة في المناطق المحيطة به، وبذل شغلًا مقداره 450 جول، أوجد لطاقة الداخلية للنظام؟
الحل:
ΔU = q + w
ΔU = 45J + 450J
ΔU = 495J
إذا أردنا العثور على الطاقة الداخلية (ΔU) للنظام، يجب دراسة العلاقة بين البيئة المحيطة والنظام، إذ ينص قانون الديناميكا الحرارية على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث وبالتالي، يمكننا أن نقول إن أي شيء يفقده المحيط سيكتسبه النظام، وسيؤدي فقدان المحيط للحرارة، ببذله شغلًا على النظام، لذلك إذا نظرنا إلى q وw في هذا المثال فهما موجبان في المعادلة، وهذا يعني أنه يمكنك إضافة إلى الطاقة الداخلية عن طريق زيادة حرارته، أو ببذل شغل عليه.[١][٥]
المراجع
- ^ أ ب ت ث "First Law of Thermodynamics", byjus, Retrieved 28/9/2022. Edited.
- ↑ "The first law of thermodynamics", britannica, Retrieved 28/9/2022. Edited.
- ^ أ ب "First Law of Thermodynamics: Law of Conservation of Energy", study, Retrieved 28/9/2022. Edited.
- ↑ "3.2: Thermodynamic Systems", libretexts, Retrieved 28/9/2022. Edited.
- ↑ "What is the first law of thermodynamics?", khan academy, Retrieved 28/9/2022. Edited.
