نبذة تعريفية عن “الديناميكا الحرارية”

2011 قوانين الديناميكا الحرارية – فهم الحرارة وانتقال الطاقة

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الديناميكا الحرارية الفيزياء

الديناميكا الحرارية هي أحد فروع علم الفيزياء، التي تبحث في تحولات الطاقة.

إن كلمة (thermodynamics)، التي تعني "الديناميكا الحرارية"، مشتقة من اللغة اليونانية، وتتألف من كلمتين (therm) وتعني "حرارة"، و(dynamics) وتعني "قدرة أو قوة".

ويُشير هذا المصطلح أصلاً إلى دراسة الحرارة فقط، لكن مجاله أخذ يتوسع عندما زادت معرفة العلماء بطبيعة كلٍ من الحرارة والشغل، وقد بدأت البحوث المرتبطة بالديناميكا الحرارية في مطلع القرن التاسع عشر عندما شرع العلماء في دراسة الحرارة وعلاقتها بالطاقة.

 

وتؤدي الديناميكا الحرارية في الوقت الحاضر دوراً مهماً في مجال الهندسة والعديد من الفروع العلمية، بما فيها الفيزياء والكيمياء والجيولوجيا وعلم الأحياء وغيرها من المجالات الأخرى.

تستند الديناميكا الحرارية إلى عدد قليل من الفرضيات الأساسية المعروفة باسم "قوانين الديناميكا الحرارية"، التي جرى وضعها من خلال التجريب وفي ضوء خبرة العلماء ومعرفتهم بسلوك الطاقة.

أما القانون الثاني للديناميكا الحرارية فقد وُضع في القرن التاسع عشر قبل القوانين الأخرى، ثم تبعه القانون الأول بعد فترة قصيرة، وفي القرن العشرين أُضيف القانون الثالث والأخير، وهو "قانون الديناميكا الحرارية الصفري".

 

إن القانون الأول للديناميكا الحرارية هو قانون حفظ (بقاء) الطاقة، فالطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من عدم، رغم أنها يمكن أن تتحول من شكل إلى آخر.

ويتناول القانون الثالث سلوك خاصية يُطلق عليها اسم "الإنتروبيا" عند درجات حرارة منخفضة جداً، بالإضافة إلى قياس الإنتروبيا، أما "القانون الصفري" فيقدم تعريفاً واضحاً لدرجة الحرارة.

يُعدّ القانون الثاني للديناميكا الحرارية من أهم المبادئ الأساسية في الفيزياء، فبينما يوضح القانون الأول طبيعة الطاقة، يضع القانون الثاني حدوداً تتعلق باتجاه انتقال الطاقة.

 

لقد ظهر عدد من الصيغ المختلفة للقانون الثاني، وتبيّن إحدى هذه الصيغ أنه عندما تتحول الحرارة إلى شغل يصبح من المستحيل تحويل كل الحرارة إلى شغل دون التخلص من جزء منها.

وتفيد صيغة أخرى أن الحرارة يُمكن أن تتدفق من جسم حار إلى جسم بارد فقط، ولا يمكن أبداً حدوث عكس هذه العملية.

ولقد تمثلت نتائج القانون الثاني للديناميكا الحرارية في قيام أحد فيزيائيي القرن التاسع عشر، ويدعى رودولف كلاوسيوس، بصياغة مصطلح "الإنتروبيا".

 

والإنتروبيا هي عبارة عن قياس ميل الطاقة للانتقال من منطقة مركزة إلى خارج هذه المنطقة، كما وضع كلاوسيوس صيغة أخرى للقانون الثاني في ضوء فهمه للإنتروبيا، إذ اعتقد أن إنتروبيا الكون تميل نحو التعاظم، وأن نتيجة العمليات التي تحدث في الطبيعة تتمثل في زيادة الإنتروبيا.

وقد ارتبط مفهوم الإنتروبيا بدلالات ومضامين علمية عميقة تتراوح بين سلوك الجسيمات دون الذرّية ومستقبل الكون.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]