ما هي الديناميكا الحرارية؟

مفهوم الديناميكا الحرارية

تُعرف الديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamics) بأنه فرع علم الفيزياء الذي يهتم بدراسة الطاقة وتحولاتها إلى أشكال مختلفة وعديدة، وخاصةً المجالات التي تتعلق بالحرارة والشغل، وهي توفر إطاراً نظرياً لفهم سلوك الأنظمة التي تتضمن عملية نقل الطاقة على شكل حرارة أو شغل، وتجدر الإشارة إلى أن علم الديناميكا الحرارية يستند إلى مجموعة من القوانين والمبادئ الأساسية التي تصف سلوك الأنظمة الماكروسكوبية، أي الأنظمة التي تتكون من عدد كبير من الجزيئات.^[١][٢][٣]

قوانين الديناميكا الحرارية

تعد قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة مبادئ أساسية تحكم سلوك الطاقة وتحولاتها في الأنظمة المختلفة، وهي كالآتي:^[١][٣]

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

القانون الصفري للديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Zeroth Law of Thermodynamics)؛ ينص على أنه إذا كان نظامان في حالة توازن حراري مع نظام ثالث، فإنهما في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض كذلك، وتجدر الإشارة إلى أن هذا القانون يُنشئ مفهوم درجة الحرارة وفكرة التوازن الحراري.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

القانون الأول للديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: First Law of Thermodynamics) أو مبدأ حفظ الطاقة (Law of Energy Conservation)؛ ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث، وإنما تتحول من شكلٍ لآخر، أي أن إجمالي الطاقة للنظام المعزول يبقى ثابتًا دائمًا، على الرغم من إمكانية تحويله من شكل إلى آخر.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الثاني للديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Second Law of Thermodynamics)؛ ينص على أن الإنتروبي (مقياس لدرجة الفوضى أو العشوائية في النظام) الإجمالية لنظام معزول في أي عملية طبيعية أو تلقائية؛ يمكن أن تزداد مع مرور الوقت، ويمكن أيضًا أن تبقى ثابتة في الحالات المثالية عندما يكون النظام في حالة ثبات، أو أنه يمر بعملية انعكاسية.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

القانون الثالث للديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Third Law of Thermodynamics)؛ ينص على أنه عندما تقترب درجة حرارة النظام من درجة الصفر المطلق (0 كلفن أو -273.15 درجة مئوية)، فإن إنتروبيا النظام تقترب من قيمة منخفضة للغاية، بمعنى أن النظام يصبح مرتبًا جدًا، ويقترب من حالة الهيكل البلوري المثالي.

فروع الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية هي علم واسع يتضمن العديد من المجالات الفرعية، ومن أبرزها ما يأتي:^[٢]

• الديناميكا الحرارية الكلاسيكية (Classical Thermodynamics): هو الفرع الذي يتعامل مع المبادئ والمفاهيم الأساسية للديناميكا الحرارية، مثل قوانين الديناميكا الحرارية.
• الديناميكا الحرارية الإحصائية (Statistical Thermodynamics): هو الفرع الذي يربط بين السلوك المجهري للجسيمات أو الجزيئات الفردية والخصائص الماكروسكوبية للأنظمة الديناميكية الحرارية، وذلك اعتمادًا على أساليب الإحصاء، ونظرية الاحتمالات لشرح الظواهر الديناميكية الحرارية بناءً على سلوك مجموعات كبيرة من الجزيئات.
• الديناميكا الحرارية للتوازن (بالإنجليزية: Equilibrium Thermodynamics): هو الفرع الذي يهتم بدراسة الأنظمة في حالة التوازن الديناميكي الحراري، أي عندما تكون بعض الخصائص ثابتة، مثل درجة الحرارة والضغط وغيرها.
• الديناميكا الحرارية لللاتوازن (Non-equilibrium Thermodynamics): هو الفرع الذي يهتم بدراسة الأنظمة في حالة انعدام التوازن الديناميكي الحراري، ويستكشف بعض الظواهر مثل انتقال الحرارة، وتدفق السوائل، والتفاعلات الكيميائية البعيدة عن التوازن، وغيرها.
• الديناميكا الحرارية الكيميائية (Chemical Thermodynamics): هو الفرع الذي يهتم بتطبيق مبادئ الديناميكا الحرارية على الأنظمة الكيميائية، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية المختلفة، ويساعد في فهم حرارة التفاعلات الكيميائية، وإمكانية حدوثها.
• الديناميكا الحرارية الهندسية (بالإنجليزية: Engineering Thermodynamics): هو الفرع الذي يهتم بتطبيق المبادئ الديناميكية الحرارية على الأنظمة الهندسية، مثل محطات الطاقة، والمحركات، وأنظمة التبريد، ومبادلات الحرارة، وغيرها العديد.