نص القانون الأول لـ”الديناميكا الحرارية” ونبذة تعريفية عن طبيعة الحرارة

2011 قوانين الديناميكا الحرارية – فهم الحرارة وانتقال الطاقة

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

القانون الأول للديناميكا الحرارية الديناميكا الحرارية الفيزياء

يُطلق على القانون الأول للديناميكا الحرارية في أغلب الأحيان اسم "قانون حفظ الطاقة".

ينصّ القانون الأول على أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من عدم، ففي كل عملية فيزيائية تنتقل خلالها الطاقة، كغلي الماء أو تشغيل السيارة أو تدوير الناعورة، لا يطرأ أي تغيير على كمية الطاقة الكلية المشمولة في تلك العمليات.

لقد أعاد العلماء تعريف مفهوم الطاقة في ضوء صياغتهم للقانون الأول، حين أدركوا أن الحرارة والشغل يُمثلان طريقتين مختلفتين لتحويل الطاقة، مع إمكانية تحوّل كل منهما إلى الآخر.

 

وفي الحقيقة إننا ننظر إلى هذه الحالة في حياتنا اليومية المعاصرة كأحد الأمور المُسلّم بها من دون نقاش.

ويؤدي احتراق الفحم الحجري أو الغاز في مصانع توليد الطاقة إلى إنتاج الحرارة التي تمّدنا بالطاقة اللازمة لتشغيل الثلاجات والحواسيب وآلات غسل الأطباق، لكن الاكتشافات المرتبطة بطبيعة الطاقة بالنسبة للعلماء السابقين أحدثت تبدلاً في مجالي الفيزياء والهندسة.

 

طبيعة الحرارة

تركز التحليلات المتعلقة بالديناميكا الحرارية في أغلب الأحيان على العمليات التي تجري داخل مجال اهتمام محدد يُطلق عليه اسم "النظام" .

ونستطيع التعرف إلى نظام الديناميكا الحرارية من خلال الحدود التي تفصلها عن الوسط المحيط، فقد يكون النظام عبارة عن كأس من الماء، أو آلة، أو كمية من الغاز داخل أسطوانة محكمة السد، ويمكن لبعض الأنظمة أن تتفاعل بطريقة ما مع الوسط المحيط، لكن النظام المعزول.

من جهة أخرى، يشكل نوعاً محدداً من أنواع الأنظمة التي لا تتبادل الحرارة أو لا تعمل عبر الحدود الفاصلة، كما يتعامل العلماء أيضاً مع أنواع مختلفة أخرى من الأنظمة بهدف فهم التفاعلات الديناميكية الحرارية التي تحدث في حالات مختلفة.

 

وقد اعتقد العلماء في الماضي أن الحرارة عبارة عن شيء مادي، وحاولوا في القرن الثامن عشر إثبات وجود سائل غير مرئي أطلقوا عليه اسم "السيّال الحراري" (أو كالوريك).

ورغم دحض النظريات المرتبطة بهذا "السيّال الحراري" المفترض، استمر العلماء باستخدام كلمة "كالوري"، أي: "السعرة الحرارية"، كوحدة ترتبط بقياس الحرارة، ولا نزال إلى الآن أيضاً نستخدم عبارات مثل "التدفق الحراري" وكأن الحرارة عبارة عن شيء مادي كالسيّال الحراري الذي تحدث عه العلماء في الماضي.

لقد أظهرت التجارب أن الحرارة ليست مادة وإنما طريقة لنقل الطاقة، التي تتمثل أساساً بالقدرة على تحريك الأشياء.

 

يُميّز مجال الديناميكا الحرارية بين طريقتين عامتين لنقل الطاقة، هما: الشغل والحرارة. يتمثل الشغل بالقوة التي تؤثر في الأشياء من خلال الإزاحة، أو بعبارة أكثر تبسيطاً.

الشغل هو عبارة عن عملية مساوية لرفع ثقل ما نستطيع القيام بها إما بالطرق الميكانيكية، أو بواسطة مولّدة كهربائية، أو تمديد الغازات (كما يحدث في المكابس)، أو غير ذلك من الوسائل الأخرى.

تُعرّف الحرارة حسب مبادئ الديناميكا الحرارية بأنها انتقال للطاقة عبر حدود نظام محدد (أو وسطه المحيط) إلى نظام آخر أقل حرارة، بسبب الاختلاف في درجة حرارة هذين النظامين، وبعبارة أخرى، الحرارة هي انتقال الطاقة نتيجة التفاعل بين جسمين أحدهما حار والآخر بارد.

 

إذا وضعنا مكعباً من الجليد في فنجان يحوي قهوة ساخنة فإن الحرارة تنتقل من القهوة إلى مكعب الجليد، ويؤدي ذلك إلى انصهار مكعب الجليد بحيث تتساوى درجة حرارة مزيج القهوة والماء. يُطلق على هذه الحالة اسم "الاتزان الحراري".

وحسب مبادئ الديناميكا الحرارية فإن مزيج القهوة والماء أصبح خالياً من الحرارة، نظراً لتوقف انتقال الطاقة من نظام إلى آخر.

تمثل "درجة الحرارة" وحدة قياس شدة الحرارة، أو "حرارة" جسم من الأجسام. لقد خاب أمل علماء العصر الحديث لفترة طويلة بعد وضع القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية بسبب عدم وجود تعريف دقيق لدرجة الحرارة، ثم طرح العالم الفيزيائي رالف هاورد فاولر "القانون الصفري للديناميكا الحرارية" في العام 1931 كحلٍ لهذه المشكلة.

 

يبيّن هذا القانون أنه في حال وجود نظامين في حالة اتزان حراري مع نظام ثالث فإن هذين النظامين يكونان في حالة اتزان حراري مع بعضهما.

فعلى سبيل المثال، لو أدخلنا ميزان حرارة في دورق من الماء وكانت القراءة هي (25 درجة سيليزية)، ثم قمنا بقياس الماء في دورق آخر وكانت القراءة (25 درجة سيليزية) أيضاً، يمكننا القول إن الدورقين في حالة اتزان حراري.

مع أن هذا الاستنتاج قد يبدو بديهياً، لكن المفهوم الذي ينطوي عليه ضروري جداً بالنسبة لقياس درجة الحرارة على أساس الديناميكا الحرارية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]