قوانين الديناميكا الحرارية (Laws of thermodynamics)

تشكل قوانين الديناميكا الحرارية مجموعة من المبادئ العلمية التي تحدد الكميات الفيزيائية الأساسية، مثل درجة الحرارة والطاقة والإنتروبيا، والتي تميز الأنظمة الديناميكية الحرارية في حالة التوازن. تتضمن هذه القوانين أيضًا معلمات ذات صلة بالعمليات الديناميكية الحرارية، بما في ذلك العمل الديناميكي الحراري والحرارة، وتحدد العلاقات المتبادلة بينها. وهي توضح المبادئ التجريبية التي تمنع حدوث ظواهر محددة، مثل آليات الحركة الدائمة. إلى جانب تطبيقها المباشر في الديناميكا الحرارية، تشكل هذه القوانين مبادئ أساسية للفيزياء وتجد صلة عبر مختلف العلوم الطبيعية.

تقليديًا، اعترفت الديناميكا الحرارية تقليديًا بثلاثة قوانين أولية، تم تحديدها بالترقيم الترتيبي: القانون الأول، والقانون الثاني، والقانون الثالث. بعد ذلك، تم تعيين مبدأ أكثر تأسيسًا باعتباره القانون الصفري، بعد إنشاء المبادئ الثلاثة الأولية.

يحدد القانون الصفري للديناميكا الحرارية مفهوم التوازن الحراري ويوفر الفرضية الأساسية لتعريف درجة الحرارة، وينص على وجه التحديد على أنه إذا كان هناك نظامان مختلفان بشكل فردي في توازن حراري مع نظام ثالث، فإنهما بالتالي في توازن حراري مع بعضهما البعض.

يفترض القانون الأول للديناميكا الحرارية أن يتوافق التغير في الطاقة الداخلية للنظام بشكل مباشر مع الطاقة المنقولة إليه أو خارجه (التي تظهر في شكل شغل أو حرارة أو مادة)، مع الالتزام بمبدأ الحفاظ على الطاقة. وبالتالي، ضمن نظام معزول خارجيًا، يظل المجموع الإجمالي لجميع أشكال الطاقة ثابتًا، بغض النظر عن التحولات الداخلية، حيث أن الطاقة لا تُخلق ولا تفنى.

يؤكد القانون الثاني للديناميكا الحرارية أنه بالنسبة لأي عملية ديناميكية حرارية عفوية، فإن الإنتروبيا التراكمية للأنظمة المتفاعلة تزيد دائمًا أو تظل ثابتة. أحد الآثار المهمة لهذا القانون هو أن الطاقة الحرارية لا يمكن أن تنتقل تلقائيًا من منطقة ذات درجة حرارة منخفضة إلى منطقة ذات درجة حرارة أعلى.

وينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنه عندما تقترب درجة حرارة النظام بشكل مقارب من الصفر المطلق، فإن إنتروبيا النظام تتقارب إلى قيمة دنيا ثابتة. بشكل عام، بالنسبة للمواد البلورية تمامًا، تعتبر الإنتروبيا عند الصفر المطلق صفرًا؛ ومع ذلك، تمثل المواد الصلبة غير البلورية، مثل الزجاج، استثناءً لهذا المبدأ.

يمنع القانونان الأول والثاني بشكل جماعي جدوى وجود فئتين متميزتين من آلات الحركة الدائمة: على وجه التحديد، آلة الحركة الدائمة من النوع الأول، والتي تهدف إلى توليد عمل دون أي مدخلات للطاقة، وآلة الحركة الدائمة من النوع الثاني، والتي تدعي أنها تحول الطاقة الحرارية تلقائيًا بالكامل إلى عمل ميكانيكي.

التاريخ

يرتبط التطور التاريخي للديناميكا الحرارية ارتباطًا وثيقًا بتاريخ الفيزياء والكيمياء، مع جذور مفاهيمية يمكن إرجاعها إلى النظريات القديمة للحرارة. ظهرت صياغة قوانين الديناميكا الحرارية نتيجة للتقدم في هذا المجال طوال القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. تم توضيح مبدأ الديناميكا الحرارية الأولي الذي تم إنشاؤه، والذي تطور فيما بعد إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية، بواسطة سادي كارنو في عام 1824 في عمله الأساسي، تأملات في القوة الدافعة للنار. بحلول عام 1860، تم وضع المبادئ المعترف بها الآن كالقانونين الأول والثاني رسميًا من خلال مساهمات العلماء بما في ذلك رودولف كلاوسيوس ووليام طومسون. في وقت لاحق، تم تطوير نظرية نيرنست، والتي يشار إليها أيضًا باسم مسلمة نيرنست، والتي تشكل القانون الثالث، من قبل فالتر نيرنست بين عامي 1906 و1912. على الرغم من أن الترقيم الترتيبي الحالي لهذه القوانين مقبول عالميًا، إلا أن النصوص الأكاديمية في القرن العشرين أظهرت اختلافات في تسميتها. تاريخيًا، حصرت بعض التخصصات نطاق القانون الثاني في المقام الأول على كفاءة المحركات الحرارية، في حين كان مفهوم زيادة الإنتروبيا يعزى أحيانًا إلى ما كان يسمى آنذاك بالقانون الثالث. تم حل هذا التناقض تدريجيًا، مما أدى إلى إدخال القانون الصفري لاحقًا لتسهيل تعريف متماسك لدرجة الحرارة. في حين تم اقتراح مبادئ الديناميكا الحرارية الأخرى، إلا أنها لم تحظى بالقبول الواسع أو الوضع الأساسي للقوانين الأربعة المعمول بها ويتم استبعادها عادةً من المناهج الأكاديمية القياسية.

القانون الصفري

يحدد القانون الصفري للديناميكا الحرارية الأساس التجريبي لدرجة الحرارة كمعلمة أساسية داخل الأنظمة الديناميكية الحرارية ويحدد العلاقة المتعدية بين درجات حرارة الأجسام المختلفة في حالة التوازن الحراري. يمكن صياغة هذا القانون رسميًا على النحو التالي:

إذا كان هناك نظامان في حالة توازن حراري مع نظام ثالث، فإنهما في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض.

على الرغم من الاستشهاد بهذه الصيغة بشكل متكرر، إلا أنها لا تمثل سوى واحدة من بين العديد من الافتراضات المتميزة التي يطلق عليها "القانون الصفري". تعمل بعض التفسيرات على توسيع هذا المفهوم من خلال التأكيد على الخاصية الفيزيائية الأساسية المتمثلة في أن درجة الحرارة هي كمية أحادية البعد، مما يتيح الترتيب المفاهيمي للأجسام المادية على طول عدد حقيقي متواصل من درجات الحرارة المنخفضة إلى الأعلى.

تعد المبادئ الأساسية لدرجة الحرارة والتوازن الحراري عنصرًا أساسيًا في الديناميكا الحرارية، حيث تم توضيحها بوضوح خلال القرن التاسع عشر. صاغ رالف فاولر مصطلح "القانون الصفري" في ثلاثينيات القرن العشرين، بعد القبول الواسع النطاق للقانون الأول والثاني والثالث. يسهل هذا القانون تعريفًا غير دائري لدرجة الحرارة، بغض النظر عن الإنتروبيا، المتغير المرافق لها. ويوصف تعريف درجة الحرارة هذا بأنه "تجريبي".

القانون الأول

يمثل القانون الأول للديناميكا الحرارية تكيفًا لمبدأ حفظ الطاقة خصيصًا للأنظمة الديناميكية الحرارية. بشكل أساسي، يؤكد مبدأ الحفظ هذا على أن إجمالي الطاقة داخل نظام معزول يظل ثابتًا؛ فالطاقة تمر بتحولات بين أشكال مختلفة ولكن لا يمكن توليدها أو فناءها.

في النظام المغلق، الذي يتميز بغياب نقل المادة، يفترض القانون الأول أن التغير في الطاقة الداخلية للنظام (ΔU_النظام) يتوافق مع صافي الفرق بين الحرارة المنقولة إلى النظام (Q) والشغل (W) المنجز بواسطة النظام الموجود في بيئته. من المهم ملاحظة أن اتفاقية الإشارة البديلة، غير المستخدمة هنا، تُعرّف W بأنه العمل المنفَّذ على النظام من خلال البيئة المحيطة به: $${\displaystyle \Delta U_{\rm {system}}=Q-W.}$$

عند النظر في العمليات التي تنطوي على نقل المادة، يصبح من الضروري وجود مسلمة إضافية.

عند دمج نظامين معزولين في البداية في نظام مركب جديد، فإن الطاقة الداخلية الإجمالية لهذا النظام الناتج، U_النظام، تعادل مجموع الطاقات الداخلية للنظامين الأصليين، U§1011§ و U§1617§: 52§ <مو>+ <مسوب> أنت §6162§ <مو>. {\displaystyle U_{\rm {system}}=U_{1}+U_{2}.}

يتضمن القانون الأول عدة مبادئ أساسية:

• قانون حفظ الطاقة، والذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تتولد، بل تتحول من حالة إلى أخرى. أحد الآثار المباشرة لهذا المبدأ هو ثبات إجمالي الطاقة داخل نظام معزول.
• يرتبط مفهوم الطاقة الداخلية ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحرارة. بالنسبة لأي نظام يمتلك درجة حرارة محددة، يتكون إجمالي طاقته من ثلاثة مكونات متميزة: الطاقة الحركية، والتي تنشأ من الحركة الإجمالية للنظام؛ الطاقة الكامنة، والتي تنتج من مجال القوة المطبقة خارجيا؛ والطاقة الداخلية . يعد إدخال مفهوم الطاقة الداخلية أمرًا بالغ الأهمية، لأنه يميز القانون الأول للديناميكا الحرارية عن المبدأ الأوسع للحفاظ على الطاقة. $${\displaystyle E_{\rm {total}}=KE_{\rm {system}}+PE_{\rm {system}}+U_{\rm {system}}}$$
• يمثل الشغل آلية لنقل الطاقة داخل أو خارج النظام، وتتميز بقوى ميكانيكية مجهرية تمارس بين النظام وبيئته. الطاقة التي ينفقها النظام كعمل قد تنشأ من إجمالي طاقته الحركية، أو إجمالي طاقته الكامنة، أو طاقته الداخلية. على سبيل المثال، عندما تقوم آلة خارجية برفع النظام، يتم نقل الطاقة من الآلة إلى النظام. تؤدي عملية العمل المنجزة على النظام إلى زيادة في طاقة النظام، والتي تتجلى على وجه التحديد في زيادة طاقة وضع الجاذبية. وبالتالي فإن إضافة الشغل إلى النظام يعزز بشكل مباشر طاقته الكامنة.
• يؤدي نقل المادة إلى نظام بشكل متزامن إلى إدخال الطاقة الداخلية والطاقة الكامنة المرتبطة بها في النظام المركب المشكل حديثًا. $$Δ$$ يمثل كمية الكتلة المنقولة.
• يشكل تدفق الحرارة طريقة مميزة لنقل الطاقة. يتم تعريف نقل الحرارة على أنه العملية التلقائية التي تنتقل من خلالها الطاقة إلى داخل أو خارج النظام، باستثناء الآليات التي تنطوي على العمل أو نقل المادة. في النظام الحراري، تُعزى التغييرات في الطاقة الداخلية حصريًا إلى نقل الطاقة في شكل حرارة: $${\displaystyle \Delta U_{\rm {system}}=Q.}$$

يؤدي هذا التوليف من المبادئ إلى صياغة تقليدية للقانون الأول للديناميكا الحرارية: التوليد الدائم للشغل بواسطة آلة دون مدخلات طاقة مكافئة أمر بعيد المنال. في جوهر الأمر، فإن آلة الحركة الدائمة من النوع الأول غير ممكنة من الناحية الديناميكية الحرارية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يوضح القانون الثاني للديناميكا الحرارية عدم الرجوعية المتأصلة في الظواهر الطبيعية، وفي كثير من الأحيان، ميلها إلى تحقيق التماثل المكاني في توزيع المادة والطاقة، وخاصة فيما يتعلق بدرجة الحرارة. يمكن صياغة هذا القانون من خلال عدة صيغ مهمة، حيث يقدم بيان كلوزيوس واحدة من أكثر هذه الصيغ وضوحًا: لا يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيًا من نظام أكثر برودة إلى نظام أكثر سخونة.

يفترض هذا المبدأ وجود خاصية نظام ديناميكي حراري تُعرف باسم الإنتروبيا، والتي تنص على ما يلي:

عندما يُسمح لنظامين معزولين في البداية، يقعان في مناطق مكانية متميزة ولكن متقاربة وكل منهما في توازن ديناميكي حراري داخلي (على الرغم من أنه ليس بالضرورة مع بعضهما البعض)، بالتفاعل، فسوف يصلان في النهاية إلى حالة من التوازن الديناميكي الحراري المتبادل. ستكون الإنتروبيا التراكمية للأنظمة المعزولة في البداية أقل من أو تساوي الإنتروبيا الإجمالية للنظام المدمج الناتج. يتم ملاحظة هذه المساواة حصريًا عندما يمتلك النظامان الأصليان قيمًا متطابقة لجميع المتغيرات المكثفة الخاصة بهما، مثل درجة الحرارة والضغط؛ وبالتالي، فإن النظام النهائي سيُظهر أيضًا نفس هذه القيم.

ينطبق القانون الثاني على نطاق واسع من العمليات، يشمل كلا من الظواهر القابلة للعكس والظواهر التي لا يمكن عكسها. في سياق انتقال الحرارة العكسي، يُشار إلى كمية متناهية الصغر من الحرارة بـ ${\displaystyle \delta Q}$، يتم تعريفه على أنه حاصل ضرب درجة الحرارة (${\displaystyle T}$) لكل من النظام ومصدر الحرارة أو المشتت والتغير التفاضلي (${\displaystyle dS}$) في المتغير المترافق للنظام، إنتروبيا (${\displaystyle S}$):

${\displaystyle \delta Q=T\,dS\,.}$

على الرغم من أن العمليات القابلة للعكس تعتبر بمثابة عمليات مثالية نظرية قيّمة ومريحة، إلا أن جميع العمليات الطبيعية غير قابلة للعكس بطبيعتها. أحد الأمثلة البارزة على هذه اللارجعة هو نقل الحرارة عن طريق التوصيل أو الإشعاع. قبل وضع تصور للإنتروبيا، ثبت أنه عند الاتصال الحراري المباشر بين جسمين في البداية عند درجات حرارة متباينة، تنتشر الحرارة بشكل ثابت وعفوي من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة.

يمكن أيضًا تصور الإنتروبيا كمقياس فيزيائي يتعلق بالديناميكيات المجهرية وتكوينات النظام، خاصة عندما تكون حالاته العيانية فقط هي التي يمكن التحقق منها. يُطلق على هذه التفاصيل المجهرية في كثير من الأحيان اسم اضطراب على المستوى الجزيئي أو المجهري، وبشكل أقل شيوعًا باسم تشتت الطاقة. بالنسبة لأي حالتين محددتين مجهريا من النظام، يوجد بينهما "فرق في إنتروبيا المعلومات" يمكن قياسه رياضيا. تحدد هذه الكمية المعلومات الفيزيائية المجهرية التكميلية المطلوبة لتحديد حالة واحدة محددة مجهريا، مع الأخذ في الاعتبار الوصف العياني للأخرى - غالبًا ما تكون حالة مرجعية محددة مسبقًا يتم افتراضها بدلاً من ذكرها صراحةً. تشمل الحالة النهائية للعملية الطبيعية دائمًا تأثيرات يمكن تحديدها مجهريا والتي لا يمكن التنبؤ بها بشكل كامل ودقيق من خلال التوصيف العياني للحالة الأولية للعملية. إن عدم القدرة على التنبؤ المتأصل هذا يفسر زيادة الإنتروبيا أثناء العمليات الطبيعية؛ تشير هذه الزيادة إلى المعلومات المجهرية الإضافية اللازمة للتمييز بين الحالة الأولية المحددة مجهريا والحالة النهائية. وفي الوقت نفسه، وفي عملية الديناميكا الحرارية، تخضع الطاقة للتشتت.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

يمكن توضيح القانون الثالث للديناميكا الحرارية على النحو التالي:

عندما تقترب درجة حرارة النظام من الصفر المطلق، تتقارب إنتروبيا النظام إلى قيمة ثابتة.

عند الصفر المطلق، يحتل النظام حالته الأرضية، والتي تمثل حالة الحد الأدنى من الطاقة الحرارية. قيمة الإنتروبيا الثابتة التي يتم ملاحظتها عند درجة الحرارة هذه، والتي قد لا تكون صفرًا، تسمى الإنتروبيا المتبقية للنظام. بشكل عام، تكون الإنتروبيا المتبقية للنظام قريبة من الصفر، مع كون المواد الصلبة غير البلورية (مثل الزجاج) استثناءات ملحوظة. ومع ذلك، تصبح الإنتروبيا المتبقية صفرًا على وجه التحديد عندما يمتلك النظام حالة أرضية مفردة، مما يعني أن حالة الطاقة الحرارية الدنيا تتوافق مع تكوين أو حالة ميكروية واحدة فقط. في هذا السياق، تحدد الولايات الصغيرة احتمالية وجود نظام في دولة معينة؛ نظرًا لأنه من المفترض أن يكون لكل حالة ميكروية احتمالية متساوية لحدوثها، فإن الحالات العيانية التي تتميز بعدد أقل من الحالات المجهرية تكون أقل احتمالًا بطبيعتها. بشكل أساسي، يرتبط الإنتروبيا بكمية الحالات الصغيرة المحتملة، كما هو موضح في مبدأ بولتزمان.

${\displaystyle S=k_{\mathrm {B} }\,\mathrm {ln} \,\Omega }$

في هذه المعادلة، يشير S إلى إنتروبيا النظام، ويمثل k_B ثابت بولتزمان، ويشير Ω إلى العدد الإجمالي للدول الصغيرة. عند الصفر المطلق، لا يمكن تحقيق سوى حالة ميكروية واحدة (Ω = 1)، نظرًا لأنه بالنسبة للمادة النقية، تكون جميع الذرات متطابقة، مما يؤدي إلى ترتيب فريد. وبالتالي، 30§ {\displaystyle \ln(1)=0} .

علاقات Onsager المتبادلة

تُعتبر علاقات أونساجر المتبادلة في كثير من الأحيان بمثابة القانون الرابع للديناميكا الحرارية. تحدد هذه العلاقات العلاقة بين التدفقات الديناميكية الحرارية والقوى في إطار الديناميكا الحرارية غير المتوازنة، بناءً على فرضية أنه يمكن تعريف المتغيرات الديناميكية الحرارية محليًا في ظل ظروف التوازن المحلي. نشأ اشتقاقها من الميكانيكا الإحصائية، التي تطبق مبدأ الانعكاس المجهري (على وجه التحديد، في غياب المجالات المغناطيسية الخارجية). بالنظر إلى مجموعة من المعلمات الشاملة، مثل X_i (على سبيل المثال، الطاقة، الكتلة، الإنتروبيا، عدد الجسيمات)، والقوى الديناميكية الحرارية المقابلة، والتي يشار إليها باسم F_i (والتي ترتبط بمعلمات جوهرية مثل درجة الحرارة والضغط)، تفترض نظرية أونساجر أن

57§ <مو>= <مفراك> <مرو> د <مسوب> <مي>ي <مي>أنا <مرو> د <مسوب> <مي>ف <مي>ك <مسوب> | <مسوب> <مي>ف <مي>ك <مو>= §116117§ {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} J_{k}}{\mathrm {d} F_{i}}}{\bigg |}_{F_{i}=0}~=~{\frac {\mathrm {d} J_{i}}{\mathrm {d} F_{k}}}{\bigg |}_{F_{k}=0}}

هنا، i و k، اللذان يمثلان التسلسل 1، 2، 3، وما إلى ذلك، يعملان كمؤشرات لكل معلمة والقوة المقابلة لها.

${\displaystyle J_{i}={\frac {\mathrm {d} X_{i}}{\mathrm {d} t}}}$

يتم تصنيفها على أنها تدفقات ديناميكية حرارية.

• الديناميكا الحرارية للثقب الأسود
• الإنثالبي
• نظرية جينسبيرج (محاكاة ساخرة لقوانين الديناميكا الحرارية)
• الميكانيكا الإحصائية

المراجع

بيتر أتكينز (2007). القوانين الأربعة التي تحرك الكون. جامعة أكسفورد. ردمك 978-0199232369

• أتكينز، بيتر (2007). القوانين الأربعة التي تحرك الكون. جامعة أكسفورد. رقم ISBN 978-0199232369
• جولدشتاين ومارتن وأمبير. إنجي ف. (1993). الثلاجة والكون. مطبعة جامعة هارفارد. رقم ISBN 978-0674753259
• غوغنهايم، إ.أ. (1985). الديناميكا الحرارية: علاج متقدم للكيميائيين والفيزيائيين، الطبعة السابعة. رقم ISBN 0-444-86951-4
• أدكنز، سي. جي. (1968). الديناميكا الحرارية المتوازنة. ماكجرو هيل. رقم ISBN 0-07-084057-1

• الوسائط المتعلقة بقوانين الديناميكا الحرارية في ويكيميديا كومنز