القانون الثاني للديناميكا الحرارية
القانون الثاني للديناميكا الحرارية يعرف علم الديناميكا الحرارية أو ما يعرف الثيرموداينمك وهي أحد أنواع الميكانيكا الإحصائية التي تهدف لدراسة التغيرات في طاقة درجة الحرارة الناتجة عن تغير بعض الكميات الفيزيائية لهذا النظام مثل: تغير الضغط، الحجم، ودرجة الحرارة؛ بالإضافة إلى دراسة الطاقة الموجودة في ذلك النظام.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
- تدرس قوانين الديناميكا الحرارية الأنظمة الفيزيائية التي تحدث فيها تغيرات في الطاقة نتيجة تأثير البيئة فيها، بالإضافة إلى التغيرات في الكميات الفيزيائية الأخرى مثل درجة الحرارة والضغط.
- وأهم هذه القوانين هو قانون الثاني الديناميكا الحرارية والتي تصف التغييرات التي تحدث في أي نظام، وخاصة التغييرات التلقائية وغير التلقائية، ومن أمثلة التغييرات التلقائية وغير التلقائية، عندما يبرد الجسم الساخن، يحدث ذلك تلقائيًا أثناء عملية تحويل الجسم البارد إلى لا يحدث السخونة تلقائيًا.
- لكننا نحتاج إلى طاقة لتسخينها، وأيضًا عندما نضع الغاز في مكان فارغ، يتمدد هذا الغاز لكن العكس لا يحدث، أي لا ينكمش الغاز تلقائيًا عند وضعه في حاوية فارغة.
منطوق القانون الثاني
- مبدأ كارنو: الأصل التاريخي للقانون الثاني هو مبدأ كارنو يشير إلى محرك كارنو الحراري، الذي يعمل في نظام شبه ثابت، بحيث يتم نقل الحرارة والعمل بين نظامين داخليين متوازنين حرارياً، محرك كارنو هو جهاز مثالي ذو أهمية خاصة للمهندسين المهتمين بكفاءة المحركات الحرارية، في ضوء تفسير القانون الثاني فهو مساوٍ ماديًا للقانون الثاني وهو متاح حتى الآن، وتنص على ما يلي: يتم اعتماد كفاءة دورة كارنو القابلة للانعكاس أو شبه الثابتة فقط على درجة حرارة الخزان الحراري، حتى وإن كانت مادة العمل أو الشغل الخاصة بمحرك كارنو والذي يعمل بتلك الطريقة وهو أيضا من المعتبر أنه المحرك الأكثر كفاءة الذي يتم إستخدامه لتلك درجات الحرارة.
الحركة الدائمة النوع الثاني
- قبل ظهور القانون الثاني، كان الكثير من الناس مهتمين بخلق آله ذو حركة دائمة، لقد حاولوا التحايل على القانون الأول من خلال إخراج طاقة داخلية كبيرة من البيئة كمصدر للطاقة للآلة، كان من المقرر أن يطلق على هذا الإله النوع الثاني إله الحركة الدائمة، لكن القانون الثاني فشل في ذلك.
يرشح لك موقع زيادة الإطلاع على المزيد من المعلومات حول من أعظم علماء الرياضيات ونظريات أرخميدس واختراعاته المختلفة من خلال الرابط التالي: من أعظم علماء الرياضيات ونظريات أرخميدس واختراعاته المختلفة
نظرية كارنو
تنص نظرية كارنو على أن:
- معظم المحركات ذات الحرارة غير انعكاسية التي تعمل بين خزانين حراريين تكون كفاءتها أقل من محرك كارنو الذي يكون عمله بين الخزانات نفسها.
- جميع محركات ذات الانعكاس الحراري التي تعمل بين خزانين حراريين يُعتبر لها نفس وظيفة العامل الخاص بمحرك كارنو والذي بدوره يعمل بين الخزانات نفسها،و في نموذجه المثالي: يمكنه إستعادة الحرارة التي يتم نقلها إلى عمل عن طريق عكس حركة الدورة، والتي تُعرف بمعامل الانعكاس.
- قام كارنو بافتراض حيث أن بعض الحرارة يتم إهمالها ولا تتحول إلى عمل (شغل مبذول)، وبسبب ذلك الأمر لا يوجد محرك واقعي وحقيقي يمكنه أن يقوم بأداءه على نظرية كارنو الانعكاسية ومن المفترض أن تكون كفاءته أقل بكثير من كفاءة كارنو.
الأنظمة الميكرونية
- الأنظمة الميكرونية ترتبط بمجموعة من نظريات الحرارة ونتج عن ذلك فإن القانون الثاني للحرارة يتناسب مع أنظمة كبيرة تتكون من عدد هائل من الذرات أو الجزيئات وتتميز بدرجة حرارة خاصة، على سبيل المثال: في نظام يحتوي على جزئين فقط، هناك احتمال أن الجزيء البطيء (البارد) سوف يعطي الطاقة للجزيء السريع (الساخن).
- وعلى سبيل المثال: فذلك النظام يكون خارج عن سياق دراسة الديناميكا الحرارية ومن الممكن دراسته في مواد الديناميكا الحرارية الكمومية باستخدام الديناميكا الإحصائية، في نظام منعزل يحتوي على بعض صور من المادة، فإن من المحتمل رؤية انخفاض في الانتروبيا ضئيل، صرح بذلك الفيزيائي الروسي ليف لانداو.
للمزيد من المعلومات حول ما الفرق بين العدد والرقم في الرياضيات؟ يمكنك النقر على الرابط المرفق: ما الفرق بين العدد والرقم في الرياضيات؟
انتشار الطاقة
- يتعامل القانون الثاني للحرارة مع درجة الحرارة والضغط و الإتجاه و الانتروبيا الذي يقوم بتوجيه العملية الحرارية فيه على سبيل المثال: ينص القانون الثاني على أنه ليس من الممكن نقل درجة الحرارة من الجسم ذات البرودة إلى الجسم الساخن.
- على العكس من ذلك، صحيح أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد، يقول أيضًا أن الطاقة المركزة في نظام معزول تنتشر وتوزع فيه بالتساوي بمرور الوقت، وهذا يعني أن انتشار الطاقة في نظام ما يعني أن الاختلافات في تركيز الطاقة تميل إلى الاختفاء بمرور الوقت، معادلة لدرجة الحرارة، والضغط المتساوي، والكثافة المتساوية.
- يمكن القول أيضًا أن الانتروبيا – إحدى تلك الخصائص – يمكن أن تؤخذ كمقياس لانتشار الطاقة أو الحرارة، لذا فإن القانون الثاني للحرارة يتعلق الانتروبيا.
صيغة القانون
- من خلال هذه الملاحظات صاغ العالم الألماني رودولف كلاوزيوس القانون الثاني للديناميكا الحرارية والذي يعتمد على التغيير التلقائي في أي نظام مرتبط بكمية فيزيائية معينة تسمى الإنتروبيا، حيث وجد العالم الألماني أن أي نظام يريد أن يصل إلى التوازن تلقائيًا أو فيه تحدث العمليات الطبيعية تلقائيًا، تظل إنتروبيا هذا النظام إما ثابتة أو تزداد، وقد أظهر العالم الألماني من خلال المعادلات الرياضية أن الانتروبيا هي مقياس لعدم انتظام النظام وزيادة الفوضى فيه.
- حيث وجد أن التغيير في الانتروبيا فيما يتعلق بالوقت في أي نظام يزداد، على سبيل المثال: عندما يذوب السكر في سائل معين تنتشر جزيئات السكر وتوزع في السائل بالتساوي، وفي المقابل يزيد الاضطراب وعدم الانتظام في في هذه الحالة، إجمالي الانتروبيا لكل مادة على حدة (السكر بالإضافة إلى السائل) أقل أو يساوي إنتروبيا الخليط (عندما يذوب السكر في سائل).
النتائج التي تم الحصول عليها من خلال القانون الثاني للديناميكا الحرارية:
- لا يمكن بناء أي آلة تعمل في حركة دائمة.
- لا يوجد تبديل تلقائي ينقل الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الساخن أو أن الجسم البارد يسخن تلقائيًا.
- لا يتم عكس جميع العمليات التي يحدث فيها الاختلاط بين نظامين أو أكثر، أي أن إنتروبيا الخليط تتزايد باستمرار، وكذلك أي عملية يحدث فيها فقد للطاقة ناتج عن الاحتكاك هي أيضًا عملية لا رجعة فيها.
يمكنك الحصول على المزيد من المعلومات حول من هو مخترع الرياضيات؟ عن طريق الرابط المعلن: من هو مخترع الرياضيات ؟
الديناميكا الحرارية
- الديناميكا الحرارية هو العلم الذي يدرس الحرارة، تتضمن الديناميكا الحرارية ثلاثة قوانين رئيسية ذات أهمية كبيرة لتأثيرها على حياتنا العملية وكذلك تأثيرها على الكون بأسره.
- من هنا يجب معرفة أن قانون الحرارة الثاني قد نال اهتمام الكثير من العلماء، حيث توجد مجموعة من الصيغ لذلك القانون، كل منها ينتمي إلى عالم واضح ومعروف، لا نجد في مجال العلم حالة مماثلة، وهنا نذكر الصيغ الثلاث للقانون الثاني للحرارة، كل صيغة ترى الواقع من زاوية معينة، لكنها كلها متحدة في المعنى.
- تتضمن الصيغة الأولى نقل الحرارة: من المستحيل أن تنتقل كمية من الحرارة من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم ذي درجة حرارة مرتفعة دون القيام بأي عمل من الخارج.
- تتضمن الصيغة الثانية الانتروبيا: زيادة الانتروبيا أي نظام معزول بمرور الوقت يميل إلى الوصول إلى نهاية عظمى، إما في النظام المعزول أو في الكون كله.
- الصيغة الثالثة والتي تشمل تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل: من المستحيل تحويل كل الطاقة الحرارية إلى عمل بعملية دورية.
يرشح لك موقع زيادة الإطلاع على المزيد من المعلومات حول أسئلة في الرياضيات قصيرة ومتنوعة وممتعه من خلال الرابط التالي: أسئلة في الرياضيات قصيرة ومتنوعة وممتعه
علوم الديناميكا الحرارية
- يدرس علم الديناميكا الحرارية ويوضح طريقة نقل الحرارة والطاقة من جسم إلى آخر، وطريقة تحويلها إلى أشكال أخرى مثل تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، والتي تستخدم على سبيل المثال في آلات البخار ومحركات الاحتراق الداخلي مثل محركات السيارات، كما تدرس طريقة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.
- كما يحدث في محطات الطاقة الشمسية والسدود والأنهار، قوانين الديناميكا الحرارية وهو القانون الثاني للديناميكا الحرارية، ونتعرف على المتغيرات التي يعتمد عليها هذا القانون ونبين أهمها النتائج التي حصلنا عليها من هذا القانون في الطبيعة.
قدمنا لكم في هذا المقال القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وتعرفنا على منطوق القانون الثاني، والحركة الدائمة النوع الثاني، ونظرية كارنو، والأنظمة الميكرونية، وانتشار الطاقة، وصيغة القانون، وتحدثنا عن الديناميكا الحرارية، وعلوم الديناميكا الحرارية.