بحث عن الديناميكا الحرارية
منذ أن تواجد الإنسان على الأرض لم يكف أبدًا عن استكشاف هذا العالم ومرة بعد مرة بدأت عملية الاستكشاف في أن تتطور من مجرد معلومات بسيطة إلى تكوين العلوم المختلفة فنشأت الفلسفة التي تعتبر أم العلوم وبعدها نشأ علم الفيزياء والكيمياء ومعهم علم النفس والاجتماع ولما تطورت تلك العلوم ومرت السنوات والعصور ظهر معها علم التاريخ ومن بعدها ظهرت فروع للعلوم الأساسية فانشق من علم الفيزياء علم الديناميكا الحرارية الذي سنتعرف عليه بصورة مفصلة في السطور الآتية لهذا البحث.
ما هي الديناميكا الحرارية
حتى نتعرف على أي علم في هذا الكون لابد أن نتعرف عليه من الجانب الاصطلاحي ومن ثم الجانب العلمي وعلى هذا ينقسم تعريف علم الديناميكا إلى:
- التعريف العلمي للديناميكا الحرارية: هو أحد العلوم المتفرعة من الميكانيكا والذي يختص بصورة أساسية في دراسة الحرارة وما هو تأثيرها على الذرات والجزيئات وكيف تتحول تلك الحرارة إلى طاقة فعالة ميكانيكية أو أن تتحول إلى شكل مختلف ألا وهو الطاقة الكهربائية.
- يعتبر من التطبيقات الحية لعلم الديناميكا الحرارية هو إقامة محطات الوقود ومحطات توليد الكهرباء العملاقة والآلات الخاصة بالتبخير وآلات الاحتراق الداخلي وكيف يتم تحويل حركة الأنهار إلى كهرباء وغيرها من أنواع الطاقة الكهرومائية.
- ولأن الديناميكا الحرارية متخصصة في كل تلك المجالات فإن عناصر هذا العلم الأساسية هي:
- الحرارة.
- الضغط.
- الكمون الكيميائي -الجهد الكيميائي-.
- الكثافة للجسم.
- الطاقة الداخلية.
- القصور الحراري -الإنتروبيا-.
- الحجم الفيزيائي.
- الحرارة النوعية.
- التعريف الاصطلاحي لعلم الديناميكا الحرارية: تنشق كلمة الديناميكا الحرارية من المصطلح اليوناني Thermodynamica
- وهو مصطلح يشير إلى الدمج بين الحرارة والطاقة مع��ا والأشكال التي يتحول إليها كلًا منهما.
تاريخ الديناميكا الحرارية
بالتأكيد لكل علمًا أصول يرجع إليها وتاريخ للنشأة ولم يكن هناك أبدًا علمًا وُلد الإنسان ووجده بكل قوانينه جاهزًا بانتظاره وعلى هذا فإن تاريخ هذا العلم هو:
- كانت نشأة الديناميكا الحرارية تعود إلى القرن الثامن عشر ولعل ما ساعد على ظهورها من الأساس هو دخول البشرية وقتها في عصر التنوير وبداية الثورة الصناعية التي كانت على حموتها في هذا القرن دونًا عن غيره.
- فمن الديناميكا الحرارية تم صناعة الآلات وخصوصًا الآلات التي كانت تعتمد على الحرارة في طبيعة عملها وذلك لتطور محركتها وسرعة تشغيلها.
- ومن أهم أسباب ظهور الديناميكا الحرارية وقتها هو أن الهندسة الحرارية لم تكن كافية أبدًا لتشغيل المصانع الضخمة وآلاتها صعبة التكوين.
- وبدأت عملية اكتشاف الديناميكا في مختبر العالم الفرنسي – سادي كارنو وبالتحديد في عام 1824 عندما بدأ في تجارب فيزيائية هامة يريد من خلال معرفة الكمية الحرارية التي تجعل آلة البخار تعمل بصورة مستمرة دون توقف.
- وكانت نتائج تلك التجربة مختلفة تمامًا عن النتائج التي كانت ينتظرها حيث اكتشف كارنو وقتها أن للبخار ذو درجة الحرارة المرتفعة تأثير كبير وقوي على الأجسام الفيزيائية الأخرى وأنه قادر على تغير رفع درجة حرارة المياه من البرودة إلى السخونية وهو ما ينتج عنه طاقة ميكانيكية.
- كان هذه النتيجة تأثر على آلة البخار بالتأكيد لأن كارنو وقتها وضع فرضية أن هذه العملية الخاصة بتسخين وتبريد الماء بالبخار تتم دون أن يتم فقدان أي شكل من أشكال الطاقة بل أنها يتولد عنها الطاقة وهو ما يجعلها عملية دورية مستمرة لا تتوقف أبدًا.
- وبتطور العلم ظهر وقتها أحد قوانين الديناميكا الأولى ألا وهو بقاء الطاقة والذي وضعه العالم الألماني يوليوس ماير في عام 1841 ميلاديًا وقال وقتها أن الطاقة عندما يتم وضعها في إطار مغلق تظل بنسبتها الثابتة ولا تفقد أحد عناصرها أبدًا وتظل مستمرة بدون توقف، وهو ما كان السبب لبناء النظريات الكاملة لعلم الديناميكا الحرارية.
كيف تطورت الديناميكا الحرارية على مر التاريخ
العالم يتغير ويتطور بين ليلة وضحاها وكذلك العلوم فلم ينشأ أبدًا ع��مًا في بدايته بالصورة التي ندرسها اليوم ولما كانت الديناميكا الحرارية والتي تسمى أيضًا بعلم التحريك الحراري والثرموديناميك أحد العلوم التي نشأت على يد الإنسان فهو أيضًا الذي قام بتطويرها على مر العصور على النحو التالي:
- الترموديناميكا الكلاسيكية.
- الترموديناميكا الإحصائية.
- الترموديناميكا الكيميائية.
- الترموديناميكا الكلاسيكية: هي أول الفروع التي ظهرت في علم الديناميكا وتعني في الأساس بالتوازن بين طاقة الأجسام والأنظمة الحرارية الخاصة بتلك الأجسام وعلى هذا فإنها تنشغل بصورة كبيرة بالحرارة وكيف تعمل والطاقة التي تصدر منها وعلى أساس تلك العناصر نشأة باقي قوانين الديناميكا الحرارة.
- الترموديناميكا الإحصائية: لما وصلنا إلى ذلك الفرع كان وقتها في القرن التاسع عشر عندما بدأ أن يطلق على العلم بصورة عامة علم الديناميكا وتم تخصيصها على أنها إحصائية وفي هذه المرحلة بدأ العلم أن يتطور في نظريات الذرة وحركتها وطبيعتها وظهر أيضًا في هذه المرحلة العلاقة بين الذرات والجزيئات وما هي الحالة الكمية الناتجة عن تلك العلاقة.
- ولما كان وقتها التطور الأكبر في هذا الفرع هو دراسة توزيع الذرات والجزيئات في الأجسام تم إطلاق على الديناميكا وقتها بالإحصائية.
- الترموديناميكا الكيميائية: وتسمى أيضًا بالحركة الحرارية الكيميائية وفي هذا الفرع استطاع العلماء أن يجدوا علاقة فيزيائية بين كلًا من الطاقة وعلم الكيمياء وذلك في التفاعلات الكيميائية للمواد المختلفة وكيف ينتج علم الديناميكا تحول كيميائي بين العناصر المختلفة وذلك لما يحدث من تغيرات ديناميكية في تلك المواد الكيميائية وهذا يعني تغير في الحرارة.
أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية
الأنظمة الديناميكية الحرارية تشير إلى القانون الأول لهذا العلم وهو أحد قوانين الباب العالي والذي أطلق عليه اسم “حفظ الطاقة” وفي هذا القانون تنقسم الأنظمة إلى:
- النظام المغلق: هو أول ما اكتشفه علماء الديناميكا الحرارية ألا وهو أن الطاقة في الإطار المغلق لا تفقد أيًا من عناصرها وهو ما يجعلها تتكرر بصورة دورية في حركتها ولا ينتج أي تغير فيها ما دام لم ستدخل أي عامل خارجي.
- ويختص هذا النظام دونًا عن غيره بأنه النظام الذي لا تقوم فيه كتلة الجسم بالانتقال من جسم لآخر بل تتبدل الحرارة بين الكتل المختلفة دون الانتفال إلى أجسام مختلفة.
- النظام المفتوح: هو النظام الذي نشأ بعد تطور علم الديناميكا وبعدما عرف العلماء كيف تتم الاستفادة الكاملة من علم الديناميكا والذي جعلهم يتحكمون في الحرارة بصورة أفضل.
- في هذا النظام أيضًا لا تكون الكتلة ثابتة لأن الطاقة في النم المفتوحة تخسر الكثير من نفسها أثناء الحركة وهو ما يجعله هنا يحتاك إلى عنصر مساعد يجعل حركة الجسم مستمرة ولا تتوقف أبدًا وذلك تعويضًا للتنقل الحراري.
- النظام المعزول: هو نظام دقيق أكثر من النظام المغلق وفيه يكون من النادر حدوث أي خطأ نظرًا لدقة وإحكام النظام المعزول في الحفاظ على الطاقة والمحافظة على انتقال الحرارة بين الكتل المختلفة للجسم الواحد مع عدم وجود أي احتمال للتأثر من أي عامل خارجي سواء كان طبيعي أو صناعي.
أهمية الديناميكا الحرارية وتطبيقاتها
للديناميكا أهمية قصوى لا تقل أبدًا عن أهمية علم الفيزياء الذي يختص بصورة أكبر لافي عناصر الكون بينما تختص الديناميكا في العناصر التطبيقية أكثر وعلى هذا تكمن أهميتها في:
- من خلال الديناميكا الحرارية نستطيع أن نحول الحرارة إلى أشكال مختلفة من الطاقة فمنها تعرفنا على الطاقة الحرارية والطاقة الكهربائية وغيرها ومن هنا تكمن أهمية الديناميكا في أنها السبب لللوصول إلى العالم الحديث والمتطور الذي نعيش فيه الآن.
- بناء الآلات الصناعية الكبرى وكيف يتم تشغيلها وذلك من خلال الاستفادة القصوى من الحرارة.
- ويمكن أن ننظر على تطبيقات الديناميكا من خلال التعرف على قوانينها الأربع وهي:
- القانون الصفري: وهو النظام الخاص بتوازن الحرارة داخل الأجسام ومن هنا نشأت المبردات وأنظمة تبريد الآلات الكبرى.
- القانون الأول: وهو ما أول ما تم اكتشافه في هذا العلم ألا وهو أن الطاقة في النظام المعزول لا تخسر أيًا من حجمها.
- القانون الثاني: إن الأجسام المختلفة المتوازنة لو تلاقت مع بعضها البعض لن تختل أبدًا وسينتج عنهم تناغم وتوازن جديد.
- القانون الثالث: طالما هناك طاقة فلن يستطيع الجسم أن يصل إلى الحرارة الصفرية أبدًا مهما كانت الظروف.
خاتمة بحث عن الديناميكا الحرارية
الحديث عن الديناميكا الحرارية لن يصل إلى نهاية أبدًا لأنه علمًا يتطور كل يوم ووفي كل ساعة يثبت أهميته الحقيقية وكيف أثر على البشرية بصورة كبيرة فمن خلاله كانت الثورة الصناعية ومن بعده كان التطور في علم الطاقة والوصول إلى ما يسمى بالطاقة المتجددة وكيف يتم استثمارها بصورة صحيحة وكل هذا يرجع بفضل علماء الديناميكا أبرزهم رودولف كلوسيوس وويليم رانكين وأيضًا جوزيه غيبس وه��مان فون وغيرهم الكثيرين الذين أسسوا هذا العلم وقاموا بتقسيمه إلى فروع مختلفة.
✨يسعدنا أنضمامكم لنا 👇
https://t.me/school_ksa
