الديناميكا الحرارية الهندسية: القانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية ودورات المحركات – المستوى الجامعي

الديناميكا الحرارية الهندسية

الديناميكا الحرارية (Thermodynamics) هي فرع من الفيزياء والهندسة يدرس تحولات الطاقة والحرارة والشغل. تعتبر أساساً لتصميم المحركات ومحطات الطاقة والثلاجات وأنظمة التكييف. تقوم على أربعة قوانين رئيسية تحكم سلوك الأنظمة الحرارية.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

ينص القانون الأول على أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من العدم، بل تتحول من شكل إلى آخر. رياضياً: ΔU = Q – W، حيث ΔU التغير في الطاقة الداخلية، Q الحرارة المضافة للنظام، W الشغل المبذول من النظام. على سبيل المثال، في محرك سيارة، الطاقة الكيميائية في الوقود تتحول إلى حرارة ثم إلى شغل ميكانيكي يحرك السيارة، مع فقد جزء من الطاقة كحرارة ضائعة.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

ينص القانون الثاني على أنه من المستحيل تحويل كل الحرارة إلى شغل في دورة مغلقة. تعبر الإنتروبيا (Entropy) عن مقياس الفوضى في النظام، وهي دائماً في ازدياد في العمليات التلقائية. كفاءة المحرك الحراري تحسب بالعلاقة: η = 1 – T₂/T₁، حيث T₁ درجة حرارة المصدر الساخن وT₂ درجة حرارة المصدر البارد.

دورات المحركات الحرارية

دورة كارنو (Carnot Cycle) هي الدورة المثالية ذات الكفاءة الأعلى. دورة أوتو (Otto Cycle) تستخدم في محركات البنزين. دورة ديزل (Diesel Cycle) تستخدم في محركات الديزل. دورة رانكين (Rankine Cycle) تستخدم في محطات الطاقة البخارية.

للاستزادة عن الجاذبية والطاقة و الاشتقاق والتكامل.