تطبيقات الديناميكا الحرارية في الحياة وأهميتها

ما هي الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية هي إحدى فروع العلم التي تهتم بدراسة الحرارة ودرجة الحرارة، وعلاقتها بأشكال الطاقة الأخرى. وتشمل العمليات الديناميكية الادياباتيكية، بالإضافة إلى العديد من المواضيع المتعلقة بالهندسة الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والعلوم الأخرى.

تطبيقات يومية للديناميكا الحرارية

في كل مكان حولنا يتم استخدام الديناميكا الحرارية التي اكتشفها سادي كارنو – والد الديناميكا الحرارية – والذي استطاع باقتراحاته دورات ونظريات للديناميكا الحرارية بتطوير السيارات ، التي أصبحت شيئا ضروريا في حياتنا اليومية ، بالإضافة إلى العديد من الأشياء الضرورية لنا بشكل أو بآخر.

ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الحرارة تنتقل من جسم يكون عنده درجة حرارة عالية إلى جسم آخر يكون عنده درجة حرارة منخفضة، ومن تطبيقات الديناميكا الحرارية اليومية: (يأتي مجموعة من الأمثلة)

• تشمل جميع أنواع دورات المحرك الحراري، بما في ذلك ديزل وأنواع السوائل الأخرى المستخدمة في المحركات.
• عندما يتعلق الأمر بالثلاجات، يجب توفير ضغط خارجي لنقل الحرارة من جسم ما عند درجة حرارة منخفضة إلى درجة حرارة أعلى، وللتخلص من الحرارة الموجودة في المواد الغذائية في الثلاجة، يجب توفير ضغط خارجي في درجة حرارة أعلى.
• يعمل جهاز التكييف على إزالة الحرارة من المساحة أو الغرفة وإبقائها عند درجة حرارة منخفضة عن طريق تصريف الحرارة التي تم امتصاصها في الهواء الخارجي.
• “تقوم المضخة الحرارية، أو المدفأة، بامتصاص الحرارة من الهواء وإطلاقها في الغرفة أو المكان البارد في فصل الشتاء.
• يتعلق الأمر بالتعرق، وذلك في مكان أو غرفة مزدحمة حيث يتعرف كل من في الغرفة، حيث يبدأ جسم الإنسان في التبريد من خلال تحويل حرارة الجسم إلى عرق، فيتبخر العرق ناقلاً الحرارة إلى الغرفة، والحرارة لا تتبدد بل تنتقل من أجل تحقيق التوازن مع أقصى قدر من الانتروبيا.
• يحدث ذوبان الثلج عندما تمتص مكعبات الثلج الحرارة من المشروب ، مما يجعل المشروب أكثر برودة. إذا انتظرنا قليلاً ثم شربنا المشروب ، سيتم تسخينه تدريجياً حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة بسبب امتصاص الحرارة من الجو المحيط.

قوانين الديناميكا الحرارية

القانون الاول للديناميكا الحرارية

ينص قانون الديناميكا الحرارية الأول على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تظل ثابتة، حيث يتم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر دون تدميرها أو إنشائها.

يقوم هذا القانون بتحويل جزء من الحرارة المُزوَّدة إلى طاقة داخلية، في حين يتم استخدام الجزء الآخر من الحرارة للضغط داخل النظام، ويمكن تمثيل قانون الديناميكا الحرارية بالمعادلة الرياضية التالية

ΔQ = ΔU + ΔW

حيث أن ؛

ΔQ = الحرارة الموردة للنظام

ΔW = الضغط الذي يُفرَزُه النظام

تمثل ΔU التغير في الطاقة الداخلية للنظام

إذا كانت Q إيجابية، فستحدث عملية انتقال حراري صافي إلى النظام، وإذا كانت W إيجابية، فسيحدث ضغط على النظام. لذلك، Q تضيف الطاقة إلى النظام و W تستهلك الطاقة من النظام.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يقول القانون الثاني للديناميكا الحرارية إن الطاقة الحرارية لا يمكن نقلها من جسم بدرجة حرارة منخفضة إلى جسم آخر بدرجة حرارة أعلى، دون إضافة طاقة، ولذلك فإن تشغيل مكيف الهواء لفترة طويلة يستهلك الكثير من الكهرباء.

وفقًا لبيان كلفن بلانك، فإن تحويل كل الحرارة المستخرجة من مصدر ذو درجة حرارة مرتفعة إلى ضغط يكون مستحيلاً؛ فمثلاً في المحرك الحراري، تقوم المادة الضاغطة بامتصاص الحرارة من الجسم الساخن وتحويل جزء منها إلى ضغط، ويتحول الجزء الآخر من الحرارة إلى الجسم البارد.

الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة

الحرارة

تتحرك الطاقة بين المواد المختلفة نتيجة اختلاف درجات الحرارة بينها، وتعتبر الحرارة شكلًا من أشكال الطاقة التي يتم الحفاظ عليها دون تدميرها أو إنشائها، ومع ذلك يمكن نقلها من مكان إلى آخر وتحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة، على سبيل المثال

تعمل التوربينات البخارية على تحويل الحرارة إلى طاقة حركية لتشغيل مولد يقوم بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.

يحول المصباح الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى ضوء (إشعاع كهرومغناطيسي)، ويتحول هذا الضوء إلى حرارة مرة أخرى عندما يمتصه سطح معين.

درجة حرارة

تعرف درجة الحرارة على أنها مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للذرات في مادة ما، وتعبّر عنها من خلال الدرجات أو الوحدات المحددة على مقياس قياسي، وتكون مقاييس درجة الحرارة الأكثر شيوعًا هي درجات السيليزيوس والكلفن والفهرنهايت.

• يعتبر مقياس سيليزيوس – Celsius هو المقياس الأكثراستخدامًا في قياس درجات الحرارة، حيث يستند إلى نقاط غليان وتجمد الماء وتحديد قيمة كلٍ منهما بصفر درجة مئوية ومئة درجة مئوية.
• يعتمد مقياس فهرنهايت على نقاط تجمد وغليان الماء، ويأتي هذا المقياس بالقيم التالية: 32 درجة فهرنهايت و212 درجة فهرنهايت.
• مقياس كلفن ؛ وهو المقياس المُستَخدم من قبل العلماء في جميع أنحاء العالم ، ويستخدم هذا المقياس نفس الزيادة التي يستخدمها مقياس سيليزيوس ، اي أن التغير في درجة الحرارة بمقدار درجة مئوية واحدة يساوي واحد كلفن ، إلا أن مقياس كلفن يبدأ عند الصغر المطلق ؛ لدرجة حرارة 0 كلفن تساوي 459.67 فهرنهايت و -273.15 مئوية.

لذلك فإن الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة يعود إلى أن ؛ كمية الحرارة المنقولة بواسطة مادة ما تعتمد على عدد وسرعة الذرات او الجزيئات المتحركة ، فكلما كانت حركة الجزيئات او الذرات سريعة ، كلما زادت درجة الحرارة ، وكلما زاد عدد الذرات والجزيئات المتحركة ، زادت كمية الحرارة التي تقوم هذه الذرات او الجزيئات بنقلها.

https://www.toppr.com/guides/chemistry/thermodynamics/applications-of-thermodynamics/

https://www.quora.com/What-are-some-interesting-applications-of-thermodynamics-in-our-daily-life-and-how-does-knowing-these-laws-of-physics-affect-our-daily-lives