الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية
Thermodynamics
الديناميكا الحرارية فرع يهتم بدراسة التغيرات في الطاقة التي تصاحب العمليات الكيميائية والفيزيائية, وتتعلق الديناميكا الحرارية ببحث كيفية إنتاج الحرارة وانتقالها من موقع إلى آخر وتأثيرها على المادة وكيفية تخزينها. ويمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى أنواع أخرى من الطاقة وبالعكس. فعند احتراق الفحم الحجري على سبيل المثال, يتحول جزء من الطاقة الكيميائية التي تربط بين جزيئاته إلى حرارة. وتشمل الدينامية الحرارية أيضاً علم التقريس الذي يدرس المواد عند درجات منخفضة جداً من الحرارة. ومبادئ الدينامية الحرارية ضرورية لفهم كل أنواع الآلات الحرارية, التي تشمل آلات الديزل والبنزين والبخار كما تشمل آلات أجهزة التبريد.
وتمكننا الديناميكا الحرارية من أن نتوقع إمكانية حدوث التفاعل الكيميائي تلقائياً تحت ظروف معينة، وبذلك فإنه يمكننا توفير كثير من الجهد والوقت والمال ببعض حسابات الديناميكا الحرارية. كذلك يمكن باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية تعيين مدى تلقائية التفاعل من خلال تعيين موضع الاتزان وحساب ثابت الإتزان. وتتلخص الديناميكا الحرارية في قوانين ثلاثة تسمى القانون الأول، والثاني، والثالث للديناميكا الحرارية. القانون الأول هو قانون بقاء الطاقة، حيث ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث ولكنها يمكن أن تتحول من صورة إلى أخرى، فمثلاً إذا اختفت كمية من الطاقة الميكانيكية فإنها يمكن أن تظهر في صورة كمية مساوية لها من الطاقة الحرارية. والقانون الأول لا يضع قيوداً على أي تغير كيميائي أو فيزيائي إلا من حيث بقاء الطاقة. والقانون الثاني يضع الأساس لتحديد إمكانية توقع تلقائية مثل هذا التغير. وهو يؤدي إلى حقيقة أن جميع العمليات الطبيعية تميل إلى السير تلقائياً نحو حالة الاتزان ويمكن الحصول على دوال الحالات لما يسمى الطاقة الداخلية للنظام E والمحتوى الحراري للنظام H كتطبيق على القانون الأول. ويمكن الحصول على دالة تسمى الإنتروبى S من القانون الثاني وهي دالة حالة، وتعتمد على الحالة الموجود عليها النظام بغض النظر عن طريقة الوصول إلى هذه الحالة. والإنتروبى يمكن تفسيره على أنه مقياس للعشوائية أو عدم الترتيب لأي نظام. فالنظام الأقل ترتيباً له إنتروبى أعلى والأكثر ترتيباً له إنتروبى أقل. وحيث أن عدم الترتيب أكثر احتمالاً من الترتيب فإن أية عملية تكون تلقائية في التحول من الترتيب إلى عدم الترتيب أي من الحالة ذات الإنتروبى الأقل إلى الحالة ذات الإنتروبى الأكبر، أي أن العملية التلقائية تكون مصحوبة بزيادة في الإنتروبى ولهذا ينص القانون الثاني على أن أية عملية تلقائية تكون مصحوبة بزيادة في الإنتروبى. ومن البديهي أن نلاحظ أنه عندما تمتص مادة الحرارة فإن عشوائية جزيئات هذه المادة تزداد وبالتالي يمكننا القول إن إنتروبى المواد يزداد بارتفاع درجة الحرارة وينقص بانخفاضها. وحيث أن البلورة هي أكثر صور المادة ترتيباً فهي أقلها من ناحية الإنتروبى، وعند الصفر المطلق تكون جزيئات المادة في البلورة في قمة الترتيب. وبالتالي تكون منخفضة الأنتروبى ومن هنا ينتج القانون الثالث الذي ينص على أنه «عند الصفر المطلق فإن إنتروبى البلورة المثالية (الكاملة) يكون صفراً.