الديناميكا الحرارية: دليل دراسة

الأفكار الأساسية

تتتبع الديناميكا الحرارية الحرارة والشغل والطاقة الداخلية. القانون الأول هو حفظ الطاقة، والثاني ينص على أن المحركات الحرارية لا يمكن أن تكون كاملة الكفاءة، ويجب أن تكون درجات الحرارة بالكلفن.

• قانون الغاز المثالي PV = nRT يربط الضغط والحجم والكمية ودرجة الحرارة المطلقة. استعمل الكلفن دائماً (K = °C + 273.15).
• الحرارة اللازمة لتغيير درجة الحرارة هي Q = mcΔT. وتمتص تغيرات الطور حرارة عند درجة حرارة ثابتة: Q = mL.
• القانون الأول هو ΔU = Q − W حيث W الشغل الذي تبذله المنظومة.
• لا يتجاوز أي محرك بين T_h و T_c كفاءة كارنو 1 − T_c ÷ T_h. ولا تتناقص إنتروبيا منظومة معزولة أبداً.

المعادلات الأساسية

• PV = nRT
• Q = mcΔT
• ΔU = Q − W
• η_Carnot = 1 − T_c ÷ T_h
• ΔS = Q ÷ T
• P = kAΔT ÷ d

مثال محلول

يعمل محرك حراري بين 500 K و 300 K. أقصى كفاءة (كارنو) هي 1 − 300 ÷ 500 = 0.40 أي 40 %. إذا أخذ 1000 J من المستودع الساخن في كل دورة فأقصى ما ينجزه من شغل 400 J ويجب أن يطرد 600 J على الأقل إلى المستودع البارد.

أخطاء شائعة

• وضع درجات الحرارة بالمئوية في قانون الغاز أو صيغة كارنو. هما يتطلبان الكلفن.
• نسيان إشارة الشغل: الشغل الذي يبذله الغاز موجب في ΔU = Q − W والشغل المبذول على الغاز سالب.
• معاملة الحرارة ودرجة الحرارة كأنهما كمية واحدة. الحرارة طاقة منقولة، أما درجة الحرارة فتقيس متوسط طاقة الجسيمات.

تدرّب

اختبر نفسك بأسئلة تدريبية في هذا الموضوع: الديناميكا الحرارية