الهندسة الميكانيكية: الديناميكا الحرارية والقوانين الأساسية

الهندسة الميكانيكية: الديناميكا الحرارية والقوانين الأساسية

الديناميكا الحرارية (Thermodynamics) هي فرع من الفيزياء والهندسة يدرس العلاقة بين الحرارة والشغل والطاقة. تُعتبر أساساً لفهم وتصميم المحركات الحرارية، الثلاجات، محطات توليد الطاقة، والمحركات النفاثة. القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية هي من أهم المبادئ في الفيزياء الكلاسيكية.

أولاً: المفاهيم الأساسية

• النظام (System): الجزء من الكون محل الدراسة (مغلق لا يتبادل مادة، مفتوح يتبادل مادة وطاقة، معزول لا يتبادل مادة ولا طاقة).
• المحيط (Surroundings): كل ما يحيط بالنظام.
• خاصية (Property): خاصية فيزيائية للنظام مثل درجة الحرارة (T)، الضغط (P)، الحجم (V)، الطاقة الداخلية (U).
• الحالة (State): حالة النظام محددة بقيم خصائصه.
• العملية (Process): انتقال النظام من حالة إلى أخرى.

ثانياً: القانون الصفري للديناميكا الحرارية

ينص على أنه: إذا كان النظام A في حالة توازن حراري مع النظام B، والنظام B في حالة توازن حراري مع النظام C، فإن النظام A في حالة توازن حراري مع النظام C. هذا القانون يجعل قياس درجة الحرارة ممكناً باستخدام مقاييس الحرارة (Thermometers).

ثالثاً: القانون الأول للديناميكا الحرارية (قانون حفظ الطاقة)

الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من عدم، بل تتحول من شكل إلى آخر. في النظام المغلق: ΔU = Q – W. حيث ΔU التغير في الطاقة الداخلية، Q الحرارة المضافة إلى النظام، W الشغل الذي يؤديه النظام. مثال: في محرك سيارة، الطاقة الكيميائية للوقود تتحول إلى حرارة (Q) ثم إلى شغل ميكانيكي (W) مع زيادة في الطاقة الداخلية.

رابعاً: القانون الثاني للديناميكا الحرارية

ينص على أن الأنتروبيا (Entropy – S) في نظام معزول لا يمكن أن تتناقص أبداً. الأنتروبيا هي مقياس الفوضى أو العشوائية في النظام. صيغ أخرى للقانون الثاني: (1) من المستحيل بناء آلة حرارية تحول كل الحرارة الداخلة إليها إلى شغل (كلفن-بلانك). (2) الحرارة لا يمكن أن تنتقل تلقائياً من جسم بارد إلى جسم ساخن (كلوسيوس).

خامساً: القانون الثالث للديناميكا الحرارية

عندما تقترب درجة حرارة النظام من الصفر المطلق (0 كلفن = -273.15°C)، تقترب أنتروبيا النظام من قيمة ثابتة (صفر للبلورات المثالية). هذا يعني أن الوصول إلى الصفر المطلق مستحيل عملياً.

سادساً: تطبيقات في الهندسة

• دورة كارنو (Carnot Cycle): الدورة المثالية للمحركات الحرارية ذات أعلى كفاءة ممكنة.
• دورة رانكين (Rankine Cycle): دورة محطات توليد الطاقة البخارية.
• دورة أوتو (Otto Cycle): دورة محركات البنزين.
• دورة برايتون (Brayton Cycle): دورة المحركات النفاثة والتوربينات الغازية.

للاستزادة: الهندسة — الهندسة الكيميائية — السنة الأولى جامعي و التكنولوجيا — الموبايل — السنة الثانية جامعي.