الديناميكا الحرارية تدرس العلاقة بين الحرارة والشغل والطاقة الداخلية للأنظمة.
الحرارة: شكل من أشكال الطاقة تنتقل بسبب فرق درجة الحرارة
تحويل: K = °C + 273
الحرارة تنتقل من الجسم الأسخن إلى الأبرد دائماً
Q = m × c × ΔT
Q: كمية الحرارة (J) | m: الكتلة (kg)
c: الحرارة النوعية (J/kg·°C) | ΔT: تغير درجة الحرارة
مثال:
كم حرارة لرفع درجة 2 kg ماء من 20°C إلى 70°C؟ (c=4200)
Q = 2 × 4200 × 50 = 420,000 J = 420 kJ
القانون الأول: ΔU = Q - W (حفظ الطاقة)
القانون الثاني: الحرارة لا تنتقل تلقائياً من جسم بارد إلى ساخن
القانون الصفري: إذا كان A في اتزان حراري مع C، و B مع C، فإن A مع B في اتزان
التوصيل: انتقال الحرارة عبر المادة (الفلزات موصلة جيدة)
الحمل: انتقال الحرارة بحركة المائع (الهواء والماء)
الإشعاع: انتقال الحرارة بالموجات الكهرومغناطيسية (لا يحتاج وسطاً)
Q = mL (حيث L = الحرارة الكامنة)
حرارة كامنة للانصهار: لتحويل صلب → سائل
حرارة كامنة للتبخر: لتحويل سائل → غاز
مثال:
أثناء تغير الحالة (انصهار أو غليان) درجة الحرارة لا تتغير رغم امتصاص الحرارة
⚠ أخطاء شائعة:
قوانين الديناميكا الحرارية تحكم جميع العمليات المتعلقة بالحرارة والطاقة. فهمها ضروري لحل مسائل التحصيلي.
| القانون | النص | الصيغة الرياضية | التطبيق |
|---|---|---|---|
| القانون الصفري | إذا كان جسمان في اتزان حراري مع ثالث فهما في اتزان | T_A = T_C و T_B = T_C → T_A = T_B | أساس عمل مقاييس الحرارة |
| القانون الأول | الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث بل تتحول | ΔU = Q - W | حفظ الطاقة في الأنظمة الحرارية |
| القانون الثاني | الحرارة لا تنتقل تلقائياً من البارد للساخن | ΔS ≥ 0 (الإنتروبي تزداد) | كفاءة المحركات الحرارية |
| القانون الثالث | يستحيل الوصول للصفر المطلق (0 K) | S → 0 عند T → 0 K | حدود التبريد النظرية |
هناك عدة أنواع من العمليات الحرارية يجب التمييز بينها في الاختبار:
| العملية | الثابت | الشرح |
|---|---|---|
| متساوية الحرارة (Isothermal) | T ثابتة → ΔU = 0 | Q = W (الحرارة تتحول كلها لشغل) |
| ثابتة الحجم (Isochoric) | V ثابت → W = 0 | ΔU = Q (الحرارة كلها تزيد الطاقة الداخلية) |
| ثابتة الضغط (Isobaric) | P ثابت | W = PΔV و ΔU = Q - PΔV |
| أديباتية (Adiabatic) | Q = 0 (لا تبادل حراري) | ΔU = -W (الشغل على حساب الطاقة الداخلية) |
الكفاءة: η = W_out/Q_in = (Q_H - Q_C)/Q_H = 1 - Q_C/Q_H
كفاءة كارنو (الحد الأقصى): η_max = 1 - T_C/T_H (بالكلفن)
لا يمكن لأي محرك أن تتجاوز كفاءته كفاءة كارنو.
مثال (كفاءة كارنو):
محرك يعمل بين درجتي حرارة 600 K (ساخن) و 300 K (بارد).
η_max = 1 - 300/600 = 1 - 0.5 = 50%
أي أن أقصى كفاءة ممكنة لهذا المحرك هي 50%.
الإنتروبي (Entropy):
• مقياس لدرجة الفوضى في النظام.
• في أي عملية طبيعية تلقائية، الإنتروبي الكلية تزداد دائماً.
• الثلج يذوب (إنتروبي تزداد) لكن الماء لا يتجمد تلقائياً عند درجة حرارة الغرفة.