الهدف هو تطوير الفهم الأساسي للمفاهيم التالية:
الطاقة الداخلية وقانون الديناميكا الحرارية الأول
العملية الدورية والعملية العشوائية للنظام
القابلية للعكس وعدم القابلية للعكس
الانتروبيا والانثالبية
قانون الديناميكا الحرارية الثاني
عندما تكون طاقة الجزيء داخل النظام مرتبطة بخاصية النظام، فإنها تسمى الطاقة الداخلية (u).
لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها، وبناءً على هذا المبدأ تتغير الطاقة الداخلية للنظام (u) كلما عبرت الطاقة حدود النظام.
وبالتالي يمكن التعبير عن قانون الديناميكا الحرارية الأول كما يلي عندما تتفاعل الحرارة/العمل مع النظام.
في المعادلة أعلاه، u هي الطاقة الداخلية لكل كتلة وحدة، وq وw هما الحرارة والعمل لكل كتلة وحدة على التوالي. الاتفاقية الإشارة المتبعة في المعادلة أعلاه هي:
dq > 0 (يعتبر موجبًا) ⇒ نقل الحرارة إلى النظام
dq < 0 (يعتبر سالبًا) ⇒ نقل الحرارة من النظام dw > 0 (يعتبر موجبًا) ⇒ العمل المنجز بواسطة النظام
dw < 0 (يعتبر سالبًا) ⇒ العمل المنجز على النظام
واحدة من الأشكال الهامة لقانون الديناميكا الحرارية الأول يتم الحصول عليها عندما
نقوم بتجميع المعادلة أعلاه للعملية الدورية.
يقال أن النظام في عملية دورية عندما يعود إلى حالته الأصلية بعد الخضوع للتغييرات العشوائية بسبب الحرارة/العمل.
نقاط يجب التأمل فيها:
تكامل أي تفاضل خاصية حالة هو الفرق بين حدوده.
الحالة النهائية هي نفسها الحالة الأصلية ولا يوجد تغيير في الطاقة الداخلية للنظام.
وبالتالي عندما
تمثل الحالة الأولية والحالة النهائية للطاقة الداخلية في المعادلة أعلاه بواسطة i و f. باستبدال ما سبق في المعادلة (1) ثم،
المعادلة (2) هي تمثيل لتكامل جميع العمل المنجز بواسطة النظام أو العمل الصافي المنجز بواسطة النظام يساوي تكامل جميع نقل الحرارة إلى النظام. الديناميكا الحرارية الهندسية تستكشف بشكل أكبر مفاهيم الأنظمة والعمليات.
إنه نتيجة لقانون الديناميكا الحرارية الأول ويتعلق بالمعادلة (1) إذا كان النظام يتضمن عملية عشوائية.
في هذه المعادلة، q و w هما الحرارة المنقولة الصافية والعمل الصافي للعملية على التوالي، بينما uf و ui هما القيم النهائية والأولية للطاقة الداخلية (u). في نظام مغلق وعازل حراريًا (w = 0، q = 0)، فلن تتغير طاقته الداخلية (u). ثم من المعادلة (2) للعملية الدورية.
يقال أن النظام يخضع لعملية عندما تتغير حالته الأولية إلى حالته النهائية. تتغير الخصائص مثل الضغط والحجم والانثالبية والحرارة والانتروبيا خلال العملية الديناميكية الحرارية. قانون الديناميكا الحرارية الثاني يصنف العمليات تحت رأسين
العمليات المثالية أو القابلة للعكس
العمليات الطبيعية أو غير القابلة للعكس
إذا كانت تغيرات درجة الحرارة (t) والضغط (p) ضئيلة في النظام الذي يخضع لعملية، فيمكن اعتبار العملية قريبة من حالة التوازن أو تقترب من القابلية للعكس.
يقال أن العملية قابلة للعكس داخليًا إذا تم استعادة الحالة الأصلية في الاتجاه العكسي.
يقال أن العملية قابلة للعكس خارجيًا إذا كان البيئة المرافقة للتغيير يمكن أيضًا عكسها بالترتيب.
العملية القابلة للعكس هي التي تكون قابلة للعكس داخليًا وخارجيًا.
لقياس نجاح العمليات الحقيقية، يستخدم المهنيون العملية القابلة للعكس كمقياس للمقارنة وإحضار العمليات الحقيقية والفعالة أقرب إلى القابلية للعكس من خلال تقليل الخسائر لزيادة كفاءة العمليات.
عندما لا تتمكن العمليات الحقيقية من تحقيق متطلبات القابلية للعكس، فإن العملية تسمى غير قابلة للعكس.
في العملية غير القابلة للعكس، لا يمكن إرجاع الحالة الأولية للنظام والمحيط إلى الحالة الأولية من الحالة النهائية. يزداد انتروبيا النظام بشدة في العملية غير القابلة للعكس ولا يمكن إرجاع القيمة إلى القيمة الأولية من القيمة النهائية.
يستمر عدم القابلية للعكس بسبب تغيرات الضغط والتركيب والحرارة والتكوين الرئيسية بسبب نقل الحرارة والاحتكاك في المواد الصلبة والسائلة، والتفاعل الكيميائي. يعمل المهنيون على وضع جهودهم لتقليل آثار عدم القابلية للعكس في العمليات والآليات.
مثل الطاقة الداخلية، الانتروبيا والانثالبية هي خصائص ديناميكية حرارية. يُمثل الانتروبيا بالرمز s وتتغير الانتروبيا Δs في kJ/kg-K. الانتروبيا هي حالة من الفوضى. الانتروبيا هي موضوع قانون الديناميكا الحرارية الثاني الذي يصف تغير الانتروبيا في النظام والمحيط بالنسبة للكون.
يُعرف الانتروبيا بأنه نسبة نقل الحرارة إلى درجة الحرارة المطلقة في النظام لمسار ديناميكي حراري قابل للعكس.
حيث، qrev يشير إلى نقل الحرارة على طول مسار قابل للعكس.
الانثالبية (h) هي خاصية حالة وتعتبر كـ،
حيث، h هي الانثالبية النوعية، u هي الطاقة الداخلية النوعية، v هي الحجم النوعي، p هو الضغط.
من المعادلة (1)
وبالتالي
عن طريق تفريق المعادلة (4) واستبدالها في المعادلة أعلاه، ثم
كلا المعادلتين أعلاه مرتبطتان بالتغيرات في الانتروبيا للعمليات القابلة للعكس بسبب التغيرات في الطاقة الداخلية والحجم في الأولى والتغيرات في الانثالبية والضغط في الثانية.
نظرًا لأن جميع الكميات في هاتين المعادلتين هي خصائص حالة، فإن الانتروبيا هي أيضًا خاصية ديناميكية حرارية.
قانون الديناميكا الحرارية الثاني معروف لوصف حدوده على الكون من حيث ما يمكن أن يفعله الكون. القانون الثاني يتعلق أكثر بمعالجة عدم الكفاءة والتدهور والتفسخ.
نقوم بأنشطة في حياتنا اليومية والتي بطبيعتها تتضمن عمليات غير كفوءة وغير قابلة للعكس.
يمكن التعبير عن قانون الديناميكا الحرارية الثاني بشكل أكثر ملاءمة فيما يتعلق بالانتروبيا:
يُعرف الانتروبيا بأنه التغير اللانهائي في الانتروبيا لنظام (dS) هو نسبة الكمية المقاسة من الحرارة التي دخلت النظام المغلق (dqrev) والدرجة الحرارة المشتركة (T) عند نقطة حدوث نقل الحرارة.
يقول قانون الديناميكا الحرارية الثاني "يعتبر تغير الانتروبيا غير سالب".
أو
طاقة الكون تتجه تدريجيًا نحو حالة من الفوضى
بيان: احترم الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل لإزالته.
