بحث عن الديناميكا الحرارية
يقدم لكم موقع موسوعة في هذا المقال بحثا شاملا عن الديناميكا الحرارية، بالإضافة إلى المصادر، وما يميز هذا البحث هو أنه يشمل كل جوانب الديناميكا من حيث المفهوم والنشأة والتطور.
بحث عن الديناميكا الحرارية
منذ تواجد الإنسان على الأرض لم يتوقف عن استكشاف هذا العالم، ومع مرور الوقت بدأت عملية الاستكشاف تتطور من مجرد معلومات بسيطة إلى إنشاء العلوم المختلفة، حيث ظهرت الفلسفة كأم للعلوم، وبعدها ظهرت الفيزياء والكيمياء والنفس والاجتماع، ومع تطور هذه العلوم ظهرت علوم أخرى مثل التاريخ، وبعدها ظهرت فروع للعلوم الأساسية، ومن بينها علم الديناميكا الحرارية الذي سنتعرف عليه بصورة مفصلة في السطور التالية لهذا البحث.
ما هي الديناميكا الحرارية
لكي نفهم أي مجال في هذا الكون، يجب أن نفهمه من الجانب المصطلحي ومن ثم الجانب العلمي، وبهذه الطريقة يمكن تعريف علم الديناميكا على النحو التالي:
- التعريف العلمي للديناميكا الحرارية: إنها إحدى العلوم التابعة للميكانيكا التي تهتم بشكل أساسي بدراسة الحرارة وتأثيرها على الذرات والجزيئات وكيفية تحويلها إلى طاقة ميكانيكية فعالة أو تحويلها إلى أشكال مختلفة مثل الطاقة الكهربائية.
- تعد إقامة محطات وقود ومحطات توليد الكهرباء الضخمة وآلات التبخير والاحتراق الداخلي وتحويل حركة الأنهار إلى طاقة كهرومائية من أمثلة تطبيقات علم الديناميكا الحرارية في الحياة العملية.
- ونظرا لتخصص الديناميكا الحرارية في تلك المجالات جميعا، 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: الديناميكا الحرارية هي كلمة مشتقة من المصطلح اليوناني Thermodynamica
- هو مصطلح يشير إلى الجمع بين الحرارة والطاقة معا والأشكال التي يتحولان إليها كلاهما.
تاريخ الديناميكا الحرارية
بالتأكيد، كل علم له أصول يعود إليها وتاريخ لظهوره، ولم ينشأ علم الإنسان وجاهز بكل قوانينه، بل تاريخ هذا العلم هو:
- بدأت نشأة الديناميكا الحرارية في القرن الثامن عشر، وربما ساعدها دخول البشرية في عصر التنوير وبداية الثورة الصناعية التي كانت في ذروتها في هذا القرن أكثر من غيره.
- تم صناعة الآلات وخصوصا الآلات التي تعتمد على الحرارة في طبيعة عملها من خلال الديناميكا الحرارية، وذلك من أجل تطور محركتها وسرعة تشغيلها.
- أحد أهم أسباب ظهور الديناميكا الحرارية في ذلك الوقت هو أن الهندسة الحرارية لم تكن كافية لتشغيل المصانع الضخمة وآلاتها التي كانت صعبة التصميم.
- وبدأت عملية اكتشاف الديناميكا في مختبر العالم الفرنسي – سادي كارنو وعلى وجه التحديد في عام 1824 حينما بدأ في تجارب فيزيائية هامة يريد من خلالها معرفة الكمية الحرارية التي تجعل آلة البخار تعمل بصورة مستمرة دون توقف.
- كانت نتائج التجربة مختلفة تماما عن المتوقع. اكتشف كارنو أن البخار ذو درجة حرارة عالية له تأثير قوي على الأجسام الفيزيائية الأخرى، وأنه قادر على رفع درجة حرارة المياه من البرودة إلى السخونة، مما ينتج عنه طاقة ميكانيكية.
- هذه النتيجة تأثرت بالتأكيد على آلة البخار، لأن كارنو آنذاك وضع فرضية بأن هذه العملية الخاصة بتسخين وتبريد الماء بالبخار تحدث بدون فقدان أي شكل من أشكال الطاقة، بل يتم توليدها منها، مما يجعلها عملية دورية مستمرة لا تتوقف أبدا.
- مع تطور العلم، ظهرت قاعدة الحفاظ على الطاقة كقانون في الديناميكا الأولى، والتي وضعها العالم الألماني يوليوس ماير في عام 1841م، حيث أكد أن الطاقة عندما توضع في نظام مغلق تبقى ثابتة ولا تفقد أي جزء منها وتستمر بدون توقف، وهذا هو ما ساهم في بناء نظريات كاملة لعلم الديناميكا الحرارية.
كيف تطورت الديناميكا الحرارية على مر التاريخ
يتغير العالم ويتطور فجأة، وكذلك العلوم، فلم ينشأ أبدا علم في بدايته بالصورة التي ندرسها اليوم، ولم يكن للديناميكا الحرارية، التي تسمى أيضا علم التحريك الحراري والثرموديناميكا، بداية كما ندرسها الآن، فقد نشأت بيد الإنسان وتم تطويرها عبر العصور على النحو التالي:
- الترموديناميكا الكلاسيكية.
- الترموديناميكا الإحصائية.
- الترموديناميكا الكيميائية.
- الترموديناميكا الكلاسيكية: تعد الديناميكا الحرارية أول فرع ظهر في مجال علم الديناميكا، وتتعامل بشكل رئيسي مع توازن الطاقة في الأجسام والأنظمة الحرارية المرتبطة بها. وبناء على ذلك، فإنها تهتم بشكل كبير بالحرارة وكيفية عملها، والطاقة التي تنبعث من الأنظمة الحرارية. وبناء على هذه العناصر، تم تطوير بقية قوانين الديناميكا الحرارية.
- الترموديناميكا الإحصائية: عندما وصلنا إلى ذلك الفرع في القرن التاسع عشر، بدأ يطلق على العلم بشكل عام اسم الديناميكا، وتم تخصيصها كعلم إحصائي. في هذه المرحلة، بدأ العلم يتطور في نظريات الذرة وحركتها وطبيعتها، وظهرت العلاقة بين الذرات والجزيئات والحالة الكمية التي تنتج عن تلك العلاقة
- نظرا لأن أكبر تطور في هذا المجال كان في دراسة توزيع الذرات والجزيئات في الأجسام، أطلق عليه حينها اسم الديناميكا الإحصائية.
- الترموديناميكا الكيميائية: تسمى هذه العملية أيضا الحركة الحرارية الكيميائية، وفي هذا المجال، اكتشف العلماء علاقة فيزيائية بين الطاقة وعلم الكيمياء في تفاعلات المواد المختلفة. وينتج علم الديناميكا تحولا كيميائيا بين العناصر المختلفة نتيجة للتغيرات الديناميكية في تلك المواد الكيميائية، وهذا يعني وجود تغير في درجة الحرارة.
أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية
تشير الأنظمة الديناميكية الحرارية إلى القانون الأول في هذا المجال والمعروف بـ “حفظ الطاقة”، وتنقسم الأنظمة في هذا القانون إلى:
- النظام المغلق: أكتشف علماء الديناميكا الحرارية أولا أن الطاقة في الإطار المغلق لا تفقد أي من عناصرها، مما يجعلها تتكرر بصورة دورية في حركتها ولا يحدث أي تغيير فيها ما لم يدخل عامل خارجي.
- يتميز هذا النظام عن غيره بأنه لا ينتقل الجسم من مكان لآخر، بل يتبادل الحرارة بين الأجسام المختلفة دون الحاجة للانتقال إلى أجسام أخرى.
- النظام المفتوح: هو النظام الذي نشأ بعد تطور علم الديناميكا وبعدما اكتشف العلماء كيفية استخدام علم الديناميكا بشكل كامل والسيطرة على الحرارة بشكل أفضل.
- في هذا النظام أيضا، لا تكون الكتلة ثابتة، حيث تفقد الطاقة الكثير من نفسها أثناء الحركة. ولذلك، يحتاج إلى عنصر مساعد يجعل حركة الجسم مستمرة ولا تتوقف أبدا. وهذا يعوض التنقل الحراري.
- النظام المعزول: هو نظام دقيق أكثر من النظام المغلق، ونادرا ما يحدث أي خطأ فيه بسبب دقته وإحكامه في الحفاظ على الطاقة وانتقال الحرارة بين مختلف الأجزاء في الجسم، بدون التأثر بأي عوامل خارجية سواء كانت طبيعية أو صناعية.
أهمية الديناميكا الحرارية وتطبيقاتها
للديناميكا أهمية قصوى لا تقل أبدا عن أهمية علم الفيزياء الذي يختص بشكل أكبر في عناصر الكون، بينما تختص الديناميكا بالعناصر التطبيقية بشكل أكثر، وبناء على ذلك تكمن أهميتها في:
- من خلال دراسة الديناميكا الحرارية، يمكننا تحويل الحرارة إلى أشكال مختلفة من الطاقة، بما في ذلك الطاقة الحرارية والطاقة الكهربائية وغيرها، ولهذا السبب تكمن أهمية الديناميكا في الوصول إلى العالم الحديث والمتطور الذي نعيش فيه الآن.
- عن بناء الآلات الصناعية الكبيرة وطريقة تشغيلها بأقصى استفادة من الحرارة.
- يمكننا دراسة تطبيقات الديناميكا من خلال التعرف على قوانينها الأربع وهي:
- القانون الصفري: هو النظام الذي يعمل على توازن الحرارة داخل الأجسام، ومن هنا نشأت المبردات وأنظمة تبريد الآلات الكبيرة.
- القانون الأول: وهو أول ما تم اكتشافه في هذا العلم، ألا وهو أن الطاقة في النظام المعزول لا تفقد أي جزء منها.
- القانون الثاني: إذا التقت الأجسام المتوازنة المختلفة مع بعضها فلن يحدث اضطراب وسينتج تناغم وتوازن جديد.
- القانون الثالث: طالما هناك طاقة، فلن يتمكن الجسم من الوصول إلى درجة الحرارة الصفرية في أي ظروف.
خاتمة بحث عن الديناميكا الحرارية
لن ينتهي حديث الديناميكا الحرارية أبدا، إذ إنه علم يتطور باستمرار ويثبت أهميته الحقيقية في كل يوم وساعة. فقد أثر بشكل كبير على البشرية، حيث كان له دور رئيسي في الثورة الصناعية وتطور علم الطاقة والوصول إلى الطاقة المتجددة وكيفية استثمارها بشكل صحيح. وجاء هذا بفضل علماء الديناميكا، بما في ذلك رودولف كلوسيوس وويليم رانكين وجوزيه غيبس وهرمان فون وغيرهم الكثيرون الذين ساهموا في تأسيس هذا العلم وتقسيمه إلى فروع مختلفة.
قدمنا لكم بحثا عن الديناميكا الحرارية حتى الآن، ويمكنكم أيضا الاطلاع على كل ما يتعلق بالعلوم المختلفة من خلال موقع الموسوعة العربية الشاملة.
المراجع