التوازن الديناميكي الحراري: الفئات والتطبيقات - جسدي - بدني - 2025

و التوازن الحرارية ويعرف نظام عزل كدولة التوازن الذي المتغيرات التي تميز بها والتي يمكن قياسها أو حساب لا تغيرات، منذ بسبب عزلتها لا توجد قوى خارجية التي تميل إلى تعديل تلك الدولة..

كل من أنظمة وفئات التوازن التي يجب النظر فيها متنوعة للغاية. يمكن أن يكون النظام خلية أو مشروبًا مثلجًا أو طائرة مليئة بالركاب أو شخصًا أو قطعة من الآلات ، على سبيل المثال لا الحصر. يمكن أيضًا أن تكون معزولة أو مغلقة أو مفتوحة ، اعتمادًا على ما إذا كان بإمكانها تبادل الطاقة والمادة مع محيطها أم لا.

مكونات الكوكتيل في حالة توازن حراري. المصدر: Pexels.

النظام المعزول لا يتفاعل مع البيئة ، لا شيء يدخلها أو يتركها. يمكن للنظام المغلق تبادل الطاقة ولكن لا يهم مع البيئة المحيطة. أخيرًا ، النظام المفتوح مجاني لإجراء التبادلات مع البيئة.

حسنًا ، النظام المعزول الذي يُسمح له بالتطور لفترة كافية ، يميل تلقائيًا إلى التوازن الديناميكي الحراري حيث تحتفظ متغيراته بقيمتها إلى أجل غير مسمى. وعندما يكون نظامًا مفتوحًا ، يجب أن تكون قيمه مماثلة لقيم البيئة.

سيتم تحقيق ذلك طالما تم استيفاء جميع شروط التوازن التي يفرضها كل نوع معين.

فئات التوازن

توازن حراري

أحد أنواع التوازن الأساسي هو التوازن الحراري ، والذي يوجد في العديد من المواقف اليومية ، مثل فنجان القهوة الساخن والملعقة التي يُقلب بها السكر.

يميل مثل هذا النظام تلقائيًا إلى اكتساب نفس درجة الحرارة بعد فترة زمنية معينة ، وبعد ذلك يصل التوازن حيث تكون جميع الأجزاء في نفس درجة الحرارة.

عند حدوث ذلك ، هناك اختلاف في درجة الحرارة يؤدي إلى التبادل الحراري في جميع أنحاء النظام. كل نظام لديه وقت لتحقيق التوازن الحراري والوصول إلى نفس درجة الحرارة في جميع النقاط ، يسمى وقت الاسترخاء.

التوازن الميكانيكي

عندما يكون الضغط في جميع النقاط في النظام ثابتًا ، فإنه يكون في حالة توازن ميكانيكي.

التوازن الكيميائي

يتم الوصول إلى التوازن الكيميائي ، الذي يُطلق عليه أحيانًا اسم توازن المواد ، عندما يظل التركيب الكيميائي لنظام ما دون تغيير بمرور الوقت.

بشكل عام ، يعتبر النظام في حالة توازن ديناميكي حراري عندما يكون في حالة توازن حراري وميكانيكي في وقت واحد.

المتغيرات الديناميكية الحرارية ومعادلة الحالة

المتغيرات التي تمت دراستها لتحليل التوازن الديناميكي الحراري للنظام متنوعة ، والأكثر استخدامًا هو الضغط والحجم والكتلة ودرجة الحرارة. تشمل المتغيرات الأخرى الموضع والسرعة وغيرها التي يعتمد اختيارها على النظام قيد الدراسة.

وهكذا ، فإن الإشارة إلى إحداثيات نقطة ما يجعل من الممكن معرفة موقعها الدقيق ، ومعرفة المتغيرات الديناميكية الحرارية تحدد بشكل لا لبس فيه حالة النظام. بمجرد أن يكون النظام في حالة توازن ، فإن هذه المتغيرات تفي بعلاقة تعرف باسم معادلة الحالة.

معادلة الحالة هي دالة للمتغيرات الديناميكية الحرارية التي يكون شكلها العام:

حيث P هي الضغط ، V هي الحجم ، و T هي درجة الحرارة. بطبيعة الحال ، يمكن التعبير عن معادلة الحالة من حيث المتغيرات الأخرى ، ولكن كما ذكرنا سابقًا ، هذه هي المتغيرات الأكثر استخدامًا لوصف الأنظمة الديناميكية الحرارية.

إحدى معادلات الحالة الأكثر شهرة هي معادلة الغازات المثالية PV = nRT. هنا n هو عدد المولات أو الذرات أو الجزيئات و R هو ثابت بولتزمان: 1.30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

التوازن الديناميكي الحراري وقانون الصفر للديناميكا الحرارية

لنفترض أن لدينا نظامين ديناميكيين حراريين A و B مع مقياس حرارة نسميه T ، والذي يتم وضعه على اتصال مع النظام A لفترة كافية للوصول إلى A و T إلى نفس درجة الحرارة. في مثل هذه الحالة ، يمكن التأكد من أن A و T في حالة توازن حراري.

بمساعدة مقياس حرارة يتم التحقق من قانون الصفر للديناميكا الحرارية. المصدر: Pexels.

يتم بعد ذلك تكرار نفس الإجراء مع النظامين B و T. إذا تبين أن درجة حرارة B هي نفس درجة حرارة A ، فإن A و B في حالة توازن حراري. تُعرف هذه النتيجة باسم قانون الصفر أو مبدأ الصفر للديناميكا الحرارية ، والذي يتم تحديده رسميًا على النحو التالي:

ومن هذا المبدأ يستنتج ما يلي:

لذلك ، لا يمكن اعتبار جسمين في حالة تلامس حراري ليسا في نفس درجة الحرارة في حالة التوازن الديناميكي الحراري.

الانتروبيا والتوازن الديناميكي الحراري

ما يدفع النظام إلى تحقيق التوازن الحراري هو الانتروبيا ، وهو مقدار يشير إلى مدى قرب النظام من التوازن ، مما يدل على حالة الفوضى. كلما زاد الاضطراب ، زاد الانتروبيا ، يحدث العكس تمامًا إذا كان النظام مرتبًا للغاية ، وفي هذه الحالة تقل الانتروبيا.

حالة التوازن الحراري هي على وجه التحديد حالة الانتروبيا القصوى ، مما يعني أن أي نظام معزول يتجه تلقائيًا نحو حالة اضطراب أكبر.

الآن ، نقل الطاقة الحرارية في النظام محكوم بالتغير في الكون. لنفترض أن S هي إنتروبيا ودعنا نشير بالحرف اليوناني "دلتا" التغيير فيه: ΔS. يُعرّف التغيير الذي يأخذ النظام من حالة أولية إلى حالة نهائية على النحو التالي:

هذه المعادلة صالحة فقط للعمليات القابلة للعكس. عملية يمكن للنظام أن يعود فيها بالكامل إلى ظروفه الأولية ويكون في حالة توازن ديناميكي حراري عند كل نقطة على طول الطريق.

أمثلة على الأنظمة ذات الانتروبيا المتزايدة

- في انتقال الحرارة من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة ، تزداد الإنتروبيا حتى تتساوى درجة حرارة كلاهما ، وبعد ذلك تظل قيمتها ثابتة إذا تم عزل النظام.

- مثال آخر على زيادة الانتروبيا هو إذابة كلوريد الصوديوم في الماء ، حتى الوصول إلى التوازن بمجرد أن يذوب الملح تمامًا.

- في مادة صلبة تذوب ، تزداد الإنتروبيا أيضًا ، لأن الجزيئات تنتقل من حالة أكثر تنظيماً ، وهي مادة صلبة ، إلى حالة أكثر اضطرابًا كسائل.

- في بعض أنواع الاضمحلال الإشعاعي العفوي ، يزداد عدد الجسيمات الناتج ومعها يزداد إنتروبيا النظام. في حالات الاضمحلال الأخرى حيث يحدث فناء الجسيمات ، هناك تحول للكتلة إلى طاقة حركية تؤدي في النهاية إلى تبديد الحرارة ، كما تزداد الإنتروبيا.

تسلط هذه الأمثلة الضوء على حقيقة أن التوازن الديناميكي الحراري نسبي: يمكن أن يكون النظام في حالة توازن ديناميكي حراري محليًا ، على سبيل المثال إذا تم أخذ فنجان القهوة + نظام ملعقة صغيرة في الاعتبار.

ومع ذلك ، قد لا يكون فنجان القهوة + ملعقة + نظام البيئة في حالة توازن حراري حتى تبرد القهوة تمامًا.

المراجع

1. باور ، دبليو 2011. فيزياء الهندسة والعلوم. المجلد 1. ماك جراو هيل. 650-672.
2. Cengel، Y.2012. الديناميكا الحرارية. 7 ^أماه الطبعة. ماكجرو هيل. 15-25 و 332-334.
3. الديناميكا الحرارية. تم الاسترجاع من: ugr.es.
4. جامعة روساريو الوطنية. فيزيائي كيميائي I. تم الاسترجاع من: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins ، T. Entropy والقانون الثاني للديناميكا الحرارية في التفاعلات الجسيمية والنووية. جامعة ولاية سان خوسيه. تم الاسترجاع من: sjsu.edu.
6. ويكيبيديا. التوازن الديناميكي الحراري. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org.