ما هي الديناميكا الحرارية

Majarah
مجرة


الديناميكا الحرارية

 الديناميكا الحرارية  (لاتينية:Thermodynamics) هي فرع من الميكانيكا الإحصائية التي تدرس خصائص تبديل الشكل الحراري للطاقة وتغيراتها إلى عناصر مختلفة ، بما في ذلك تحويل الكهرباء الحرارية إلى قوة ميكانيكية ، كما في محرك الاحتراق الداخلي والمحرك البخاري ، أو تحويل الكهرباء الحرارية إلى كهرباء كهربائية ، كما في محطات توليد الطاقة ، تتحول الطاقة الحركية إلى كهرباء كهربائية ، كما في توليد الطاقة من السدود والأنهار.

تطور الديناميكا الحرارية

تم تطوير أساسيات الديناميكا الحرارية من خلال تحليل التعديلات في المدى والضغط ودرجة الحرارة في المحرك البخاري. تستند معظم هذه الأبحاث إلى فكرة أن أي جهاز بعيد في كل مكان داخل الكون يتضمن كمية جسدية قابلة للقياس يشار إليها بالكهرباء الداخلية للآلة ويرمز إليها بالرمز (U). تمثل هذه الكهرباء الداخلية مجموع قدرة الطاقة والكهرباء الحركية للذرات والجزيئات داخل الجهاز ، أي جميع الأنماط التي يمكن نقلها في وقت واحد على شكل دفء وقوة كيميائية (مخزنة في روابط كيميائية) وطاقة نووية (موجودة في نوى الذرات) تنتمي إلى القوة الداخلية للآلة.

بدأ البحث في الديناميكا الحرارية اختراع المحرك البخاري وأسفر عن الكثير من الإرشادات القانونية التي لا تزال سارية على جميع أنواع الآلات ؛ خاصة الأشخاص الذين يقومون بتحويل الكهرباء الحرارية إلى لوحات ميكانيكية ، والتي تشمل جميع أنواع المحركات ، أو عندما يتم تحويل الطاقة الحركية إلى قوة كهربائية ، على سبيل المثال ، أو العكس.

في الديناميكا الحرارية ، نميز بين الجهاز المفتوح والجهاز المغلق والجهاز البعيد. في آلة مفتوحة ، تنقل مواد الجهاز حدود الجهاز إلى الوسط المحيط ، في التقييم للجهاز المغلق ، لا يوجد تغيير في رقم العدد بين الأداة والوسط المحيط. داخل النظام البعيد ، لا يوجد بديل إضافي للطاقة بين الجهاز البعيد والوسط المحيط ، ووفقًا لقانون حفظ الطاقة ، مجموع الطاقات الموجودة فيه (القوة الحرارية ، الطاقة الكيميائية ، قوة الحركة ، المغناطيسية القوة ... وما إلى ذلك) تظل ثابتة.

صورة ملونة لصورة أصلية من عام 1824 لجهاز Carnot تُظهر غلاية دافئة ووسط عمل (بخار في أسطوانة مكبس) ووسط بارد (ماء). تشير الرموز الموجودة على الأسطوانة إلى عوامل توقف حاسمة في دورة كارنو.توضح لنا الديناميكا الحرارية اعتماد الدفء واللوحات الميكانيكية على حدود الآلة في ميزات البلد التي تصف أمة الجهاز. عدد من وظائف الحالة التي تصف الجهاز ، نكتشف: درجة الحرارة T ، والضغط p ، وكثافة الجسيمات n ، والقدرة الكيميائية μ ، وتسمى هذه "المساكن المكثفة" ، وخصائص أخرى بما في ذلك الطاقة الداخلية U ، والإنتروبيا S ، والحجم V ومدى الحطام N ، ومن المعروف أنها تسمى شمولية الأجزاء. يقتصر الاختلاف بين الكميات المكثفة والكميات المتكررة على حقيقة أن الميزات المكثفة لا تتداول عن طريق تضخيم النظام (بما في ذلك الجزء الجديد تمامًا) والذي يتضمن الكثافة والسخونة المحددة ، بينما الميزات المقبولة أو زيادة الكميات المقبولة عن طريق النفخ النظام جنبًا إلى جنب مع مجموعة متنوعة من الجسيمات والطاقة الداخلية (المحتوى الحراري داخل الجهاز).

تاريخ الديناميكا الحرارية

في عام 1824 ، درس الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو مقدار الدفء الذي يستخدمه المحرك البخاري. اكتشف أن البخار الساخن يجب أن يسخن الماء البارد وينقل اللوحات الميكانيكية في نفس الوقت. اعتقد كارنو أنه بهذه الطريقة لم يكن هناك نقص في الكهرباء. وصف كارنو أيضًا الاستراتيجيات التي تأخذ مكانًا في المحرك البخاري على أنها طريقة دورية ، مما يعني أنها دورة بعيدة تتكرر مرارًا وتكرارًا. تمكن العالم كلابيرون بعد ذلك من صياغة تلك الدورة في مكونات رياضية وأصبحت هذه التقنية تسمى دورة كارنو.

ثم جاء الطبيب الألماني "جوليوس ماير" عام 1841 وقدم الافتراض بأن الطاقة في آلة مغلقة ثابتة في القيمة. لا يمكن تدمير الطاقة ، ولكن كبديل يتم تحويله من شكل إلى آخر. أصبح هذا الافتراض يشار إليه على أنه تنظيم الحفاظ على الطاقة. حسابات "ماير" ضمن تحويل الدفء إلى كهرباء ميكانيكية. قام بحساب كمية الكهرباء اللازمة لتحسين درجة حرارة 1 جرام من الماء 1 دبلومة مئوية ، ومقدار القوة المطلوبة عندما يتم تحويلها بعيدًا إلى كهرباء ميكانيكية. أكمل ماير الحساب ووجد أن هذه الكمية من الدفء كافية لرفع 1 جرام إلى ارتفاع 367 مترًا (في الواقع ، يزيده بمقدار 426 مترًا). شكلت هذه الحسابات فكرة القانون الأول للديناميكا الحرارية حول الحركة الحرارية (الديناميكا الحرارية). ثم فريد جيمس جول في عام 1844 المكافئ الحراري الميكانيكي بدقة من الدرجة الأولى.

في عام 1840 ، نشر الكيميائي الألماني السويسري هيرمان هاينريش هيس مقالة منهجية تحت اسم: "الاختبارات الكيميائية الحرارية" بخصوص ظاهرة الحفاظ على الطاقة في الجزيئات من خلال مراقبة الحرارة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية.حتى عندما تغير مفهوم كارنو إلى أن كمية الكهرباء تظل كاملة ولا تتناوب الآن في وقت ما من عمل جهاز بخاري ، فقد أخذ ماير في الاعتبار فرصة تحويل الطاقة من شكل إلى آخر ، جنبًا إلى جنب مع تحويلها في الكهرباء الحركية أثناء تشغيل الجهاز. ثم وصل إلى هنا الفيزيائي الألماني رودولف كلاوزيوس في عام 1854 وربط بين الفكرتين: مفهوم كارنو وفكرة ماير ، وأظهر أن نظام البخار يعمل بينما تتدفق الحرارة من وسط دافئ إلى وسط بارد داخل الجهاز ، وبالتالي دعم فكرة كارنو. هذه القوة الآن لا تهلك ، ولكن جزء منها يمكن أن يتحول إلى عمل ، أي القوة الميكانيكية (القوة الحركية). أي أن الكهرباء الحرارية لا تستمر في أن تكون في شكلها الحراري تمامًا - كما اعتقد كارنو سابقًا - ولكن يتم تحويل جزء منها إلى عمل ميكانيكي والباقي يتسرب إلى الغلاف الجوي المحيط بالعادم.

وقد أصبح من الواضح لـ "Clausius" أن الطاقة الحرارية في الأداة (جهاز البخار) يتم تحويلها جزئيًا إلى عمل ميكانيكي ، والاسترخاء يهرب إلى البيئة. تحدد كفاءة الآلة نسبة العمل الميكانيكي الناتج إلى كمية الحرارة التي يتم توفيرها للآلة.

هذه الإحصائيات التي تم التوصل إليها من خلال Clausius صاغت صيغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية: "لا يوجد نظام يعمل بشكل دوري وتقتصر لوحاته فقط على تغيير (كل) الحرارة إلى عمل ميكانيكي." يتم إعطاء مقدار الدفء الذي لا ينتج عنه لوحات ميكانيكية طوال مدة الدورة للوسيط المحيط. هذه الكمية من الدفء (الطاقة) غير المستخدمة Clausius مرتبطة بدرجة الحرارة وصاغت ميزة جديدة تمامًا يشار إليها باسم الانتروبيا.

تتضمن جميع الأساليب التي تحدث بالتأكيد جزءًا من الانتروبيا غير القابلة للعكس ، وتتمثل خصائصها في نقل الدفء غير المستخدم إلى المحيط المحيط.ثم صاغ بولتزمان الانتروبيا في هذا النوع من الطريقة التي يتم تصورها بسهولة على أنها مقياس لعدم الانتظام (درجة التذبذب في الآلة). . وذلك في جهاز مغلق (بعيد عن الوسط المحيط) والذي يحدث فيه تغيير عكسي للمملكة ، يكون الفرق في الكون - بين الدولة الأولى والدولة الأخيرة - هو نفسه صفر.ثم وصل الكيميائي الفرنسي "مارسيلين بيرثيلوت" إلى هنا عام 1862 وأكد أن استخدام الضغط في مؤخرة استجابة كيميائية يكمن في الدفء الناتج عن الاستجابة.

ربط الألماني هيرمان فون هيلمهولتز الطاقة الكهربائية للبطارية بالكهرباء الكيميائية والطاقة الحرارية ، وفي أطروحته العلمية المعروفة باسم "حول الحفاظ على القوة" توصل إلى قانون الحفاظ على الطاقة ، دون معرفته بعمل ماير.ثم خلال السنوات اللاحقة ، التزم هيلمهولتز بتحليل التفاعلات الكيميائية ، ودعم لوحات بيرتولت في عبارات عصر الحرارة من العديد من التفاعلات الكيميائية ، على الرغم من أنه وجد أيضًا أن عددًا منها بارد طوال مدة الاستجابة. . قال هيلمهولتز في أطروحته العلمية بعنوان: "الديناميكا الحرارية للمناهج الكيميائية" .

مصادر مستند إليها
كلمات دلالية
شركاتشركاتشركاتشركاتشركات
مصر
|
عربي
جميع الحقوق محفوظة مجرة ​​2022
سياسية الخصوصيةالبنود