هندسة الديناميكا الحرارية: الأساسيات والمبادئ
تلعب أساسيات الديناميكا الحرارية دورًا مهمًا في التقدم نحو عالم أفضل من خلال تحسين أداء المنشآت والمعدات وتصميمها الشامل.
من بين العوامل الحاسمة لتقييم أداء المعدات هي أمور مثل إنتاج المنتج النهائي، استهلاك المواد الخام الداخلة، تكلفة الإنتاج، وتقييم التأثير على البيئة. يستخدم المهندسون اليوم مفهوم الديناميكا الحرارية لفحص وإعادة اختراع الأشياء التي تهدف إلى سلامة وراحة الإنسان.
كانت علم الديناميكا الحرارية موجودًا منذ القرن الـ 19. ومنذ ذلك الحين، يبذل العلماء والمهندسين جهودًا مستمرة وممتدة لجعله أكثر سهولة للمستخدم.
أساسيات الديناميكا الحرارية
اشتق مصطلح الديناميكا الحرارية من الكلمة اليونانية ثيرم (تعني الحرارة) والديناميكي (يعني القوة). المهندسون المهتمون بدراسة الأنظمة وتفاعلاتها مع محيطها.
تساعد المفاهيم/التعريفات المستخدمة في هذا القسم القراء في فهم مفهوم الهندسة الحرارية (والتي تُعرف أحيانًا باسم هندسة الطاقة الحرارية).
النظام والمحيط والكون
النظام هو ما نريد دراسته وما نهتم به، وبالتالي فإن الخطوة الأولى هي تحديد الهدف الدقيق لدراسة النظام. يمكن أن يكون الهدف من دراسة النظام هو تحسين كفاءة النظام أو تقليل الخسائر وغيرها. مثال على النظام يمكن أن يكون تحليل دورة التبريد في مصنع التبريد أو تحليل دورة رانكين في محطة توليد الكهرباء.
يُعرّف النظام بأنه كتلة محددة من المادة النقية محاطة بسطح مغلق أو مرنة؛ وبالمثل، يمكن أن تكون تركيب المادة داخل النظام ثابتًا أو متغيرًا حسب الدورة.
لا يتعين أن تكون أبعاد النظام ثابتة (مثل الهواء في الضاغط يتم ضغطه بواسطة مكبس) بل يمكن أن تكون متغيرة (مثل بالون مملوء بالهواء). المادة التي تتفاعل مع النظام خارجيًا تسمى المحيط والكون هو نتيجة النظام والمحيط.
العنصر الذي يفصل النظام عن محيطه يسمى الحدود. يمكن أن تكون حدود النظام ثابتة أو في حركة.
تحدث التفاعل بين النظام والمحيط عبر عبور الحدود وبالتالي تلعب دورًا مهمًا جدًا في الديناميكا الحرارية (أي هندسة الطاقة الحرارية).
أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية
هناك نوعان أساسيان من الأنظمة في الديناميكا الحرارية:
النظام المغلق أو الكتلة المسيطر عليها: يتعلق بمقدار محدد من المادة. على عكس النظام المفتوح، لا يحدث تدفق مادي عبر حدود النظام في النظام المغلق. هناك أيضًا نوع خاص من النظام المغلق لا يتفاعل ولا يعزل نفسه عن المحيط ويسمى النظام المعزول.
حجم السيطرة (نظام مفتوح): يقتصر حجم السيطرة على منطقة محددة من الفضاء يمكن للطاقة والمادة أن تتدفق عبر حدود النظام. تسمى حدود النظام المفتوح بسطح السيطرة، ويمكن أن يكون هذا السطح حقيقيًا أو غير حقيقي.
مثال على حجم السيطرة هو أنواع المعدات التي تتضمن تدفق المادة عبر حدود النظام مثل تدفق المياه عبر مضخات، تدفق البخار في التوربينات، وتدفق الهواء عبر مضغوطات الهواء.
الديناميكا الحرارية المجهرية
النهج المجهرية في الديناميكا الحرارية يُطلق عليه أيضًا الديناميكا الحرارية الإحصائية ويتعلق ببنية المادة والهدف من الديناميكا الحرارية الإحصائية هو وصف السلوك المتوسط للجسيمات المكونة للنظام محل الاهتمام ومن ثم استخدام هذه المعلومات لمراقبة السلوك الكلي للنظام.
خصائص الديناميكا الحرارية والأوضاع والعمليات
خاصية الديناميكا الحرارية
خاصية الديناميكا الحرارية هي صفة كمية لنظام. يمكن تعيين قيمة الخاصية في أي وقت معين دون الحاجة لمعرفة قيمتها السابقة وسلوكها.
الخاصية الواسعة
الخصائص التي تعتمد على الكتلة تسمى الخصائص الواسعة وقيمتها للنظام ككل هي مجموع قيمها للأجزاء التي تم تقسيم النظام إليها. أمثلة على الخاصية الواسعة هي الحجم والطاقة والكتلة. تعتمد الخاصية الواسعة على حجم النظام ويمكن أن تتغير مع الوقت.
الخاصية المكثفة
على عكس الخاصية الواسعة، الخاصية المكثفة ليست تعتمد على الكتلة وغير قابلة للجمع ولا تعتمد على حجم النظام الكلي. يمكن أن تختلف في أماكن مختلفة داخل النظام في أي وقت. أمثلة على الخاصية المكثفة هي الضغط والحرارة.
حالة الديناميكا الحرارية
تُعرف الحالة بأنها حالة النظام التي يمكن وصفها بشكل أفضل من خلال خصائصه. يمكن أن توجد الكتلة المحبوسة في النظام في مجموعة متنوعة من الحالات الفريدة، تسمى الحالة. هناك علاقات بين خصائص النظام ولكن يمكن تحديد الحالة بتوفير قيمة مجموعة فرعية من الخصائص.
عملية الديناميكا الحرارية
عمليات الديناميكا الحرارية هي تحويل من حالة إلى أخرى. إذا كانت قيمة الخاصية الكمية في النظام عند وقتين مختلفين متطابقة، فإن النظام يعتبر في نفس الحالة في تلك الأوقات. يتحقق حالة الثبات في النظام إذا لم تغير أي من خصائصه بالنسبة للوقت.
دورة توازن النظام
دورة توازن النظام الديناميكا الحرارية هي عملية متسلسلة تبدأ وتنتهي بنفس الحالة. عندما تكتمل الدورة، فإن جميع خصائصها لها نفس القيم التي كانت عليها في البداية. تلعب جميع الدورات التي تتكرر بانتظام دورًا حيويًا في العديد من التطبيقات، مثل دوران المكثفات في محطة توليد الطاقة الحرارية.
المادة العاملة
يساعد نظرية المادة في فهم مفهوم الطاقة. المادة معروفة بكتلتها وحجمها ومساحتها بغض النظر عن بنائها وطبيعتها لديها بعض الخصائص مثل الاستقرار والموثوقية. تتكون المادة من عدد كبير من الجزيئات. يمكن العثور على المواد الصلبة والسائلة والغازية في كل مكان.
في المادة الصلبة، الجزيئات قريبة من بعضها البعض ومربوطة بقوة ولا يمكنها التحرك بحرية. وبالتالي يتطلب تغيير شكلها قوة كبيرة.
الجزيئات في المادة السائلة ليست مربوطة بقوة وبالتالي قوة صغيرة كافية لربط الجزيئات معًا.
في الحالة الغازية، تتحرك الجزيئات بشكل عشوائي وحر كما لو كانت في حالة غير مقيدة وبالتالي تتحرك بسرعة كبيرة بغض النظر عن الجزيئات المجاورة لها. يرتبط الضغط بالغازات، والتي تحتوي على الكثير من المساحات الفارغة بين الجزيئات المتصلة. الطاقة هي السبب في وجود المادة في مراحل مختلفة.
المادة النقية
تُعرف المادة ذات التركيب الكيميائي الواحد أو التجانس في التركيب الكيميائي المتغير بالمادة النقية. يمكن أن توجد المادة في مرحلة واحدة مثل السائل أو يمكن أن توجد في أكثر من مرحلة في توازن مع بعضها البعض. تعتبر الخلطة الموحدة من الغازات ذات التركيب الكيميائي المتشابه أيضًا مادة نقيّة.
أهمية المادة النقية تكمن في تحديد خصائص المادة العاملة في ظروف مختلفة من الضغط والحرارة.
مثال: يمكن وصف المادة النقية مثل الماء بشكل كامل بواسطة خصائص مكثفة مستقلة تسمى الضغط والحرارة. مادة نقيّة أخرى هي الهواء في الحالة الغازية. لكن بالنسبة للمادة غير المتجانسة، يتطلب الأمر أكثر من خاصيتين لوصف الحالة.
توازن الديناميكا الحرارية
في الميكانيكا، يقال إن التوازن قد تم الوصول إليه عندما نساوي القوى المضادة. لكن معنى توازن الديناميكا الحرارية مختلف وأكثر اتساعًا لأنه يشمل التوازن لتأثيرات أخرى (بين النظام والمحيط) بالإضافة إلى توازن القوى المضادة. لكي يتم تحقيق التوازن الكامل داخل النظام، يجب تحقيق شروط التوازن الميكانيكي والحراري والفازي والكيميائي.
في هذا القسم، نقتصر مناقشتنا على توازن الديناميكا الحرارية. يركز على حالات التوازن والتغير من حالة توازن إلى أخرى يتم وصفها بشكل أفضل بواسطة الديناميكا الحرارية الكلاسيكية.
إذا كانت الحالة ثابتة، في
