contador Saltar al contenido

الفرق بين القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية

mayo 10, 2020
الفرق بين القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية


أ القانون الأول للديناميكا الحرارية يرتبط بالحفاظ على الطاقة ، بينما القانون الثاني للديناميكا الحرارية يجادل بأن بعض العمليات الديناميكية الحرارية غير مقبولة ولا تتبع القانون الأول للديناميكا الحرارية بالكامل.

الكلمة " الديناميكا الحرارية "مشتق من الكلمات اليونانية ، حيث" المصطلح "يعني الحرارة و" الديناميكيات "تعني القوة. لذلك ، الديناميكا الحرارية هي دراسة الطاقة الموجودة في أشكال مختلفة ، مثل الضوء والحرارة والطاقة الكهربائية والكيميائية.

الديناميكا الحرارية هي جزء حيوي للغاية من الفيزياء والمجالات ذات الصلة ، مثل الكيمياء وعلوم المواد وعلوم البيئة ، إلخ. وفي الوقت نفسه ، يعني "القانون" نظام القواعد. لذلك ، تتعامل قوانين الديناميكا الحرارية مع أحد أشكال الطاقة بخلاف الحرارة ، ويتوافق سلوكها في ظروف مختلفة مع العمل الميكانيكي.

على الرغم من أننا نعرف أن هناك أربعة قوانين للديناميكا الحرارية ، تبدأ بالقانون صفر والقانون الأول والقانون الثاني والقانون الثالث. لكن الأكثر استخدامًا هو القانون الأول والثاني ، لذلك ، في هذا المحتوى ، سنناقش ونميز بين القانونين الأول والثاني.

مخطط المقارنة

أساس المقارنةالقانون الأول للديناميكا الحراريةالقانون الثاني للديناميكا الحرارية
إعلان لا يمكن خلق الطاقة أو تدميرها. لا ينخفض ​​الانتروبيا (درجة الاضطراب) لنظام معزول أبدًا ، بل يزيد دائمًا.
صريح E = Q + W ، تستخدم لحساب القيمة إذا كانت أي من الكميتين معروفة. S = S (نظام) + S (محيط)> 0
يعني صريح أن يساوي التغيير في الطاقة الداخلية للنظام تدفق الحرارة في النظام والعمل المنجز على النظام في المنطقة المجاورة. التغيير الكلي في الإنتروبيا هو مجموع التغيير في إنتروبيا النظام والبيئة الذي يزداد لأي عملية حقيقية ولا يمكن أن يكون أقل من 0.
مثال 1. عند إضاءة المصابيح الكهربائية ، تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية (طاقة مشعة) وطاقة حرارية (طاقة حرارية). 2. النباتات تحول ضوء الشمس (الطاقة الخفيفة أو المشعة) إلى طاقة كيميائية في عملية البناء الضوئي. 1. تحول الآلات طاقة مفيدة للغاية ، مثل الوقود ، إلى طاقة أقل فائدة ، وهي ليست نفس الطاقة المستهلكة عند بدء العملية. 2. السخان في الغرفة يستخدم الطاقة الكهربائية ويطلق الحرارة إلى الغرفة ، لكن الغرفة في المقابل لا يمكنها توفير نفس الطاقة للسخان.

تعريف القانون الأول للديناميكا الحرارية

أول قانون للديناميكا الحرارية ينص على أن " لا يمكن خلق الطاقة أو تدميرها "، يمكن أن تتحول فقط من دولة إلى أخرى. ويعرف هذا أيضًا بقانون الحفظ.

هناك العديد من الأمثلة لشرح البيان أعلاه ، مثل المصباح الكهربائي ، الذي يستخدم الطاقة الكهربائية ويتحول إلى ضوء وطاقة حرارية.

تستخدم جميع أنواع الآلات والمحركات نوعًا من الوقود للقيام بالمهمة وتقديم نتائج مختلفة. حتى الكائنات الحية تأكل الأطعمة التي يتم هضمها وتوفر الطاقة لأداء الأنشطة المختلفة.

E = Q + W

يمكن التعبير عنها بالمعادلة البسيطة مثل E ، وهو التغيير في الطاقة الداخلية لنظام ما يساوي مجموع الحرارة (Q) التي تتدفق عبر حدود البيئة والعمل المنجز (W) في النظام بواسطة البيئة. ولكن لنفترض أنه إذا كان تدفق الحرارة خارج النظام ، فإن Q ستكون سالبة ؛ وبالمثل ، إذا قام النظام بالعمل ، فسيكون الحرف "W" سلبيًا أيضًا.

لذلك ، يمكننا القول أن العملية برمتها تستند إلى عاملين ، هما الحرارة والعمل ، وتغيير طفيف في هذه النتائج يؤدي إلى تغيير في الطاقة الداخلية للنظام. ولكن كما نعلم جميعًا أن هذه العملية ليست تلقائية جدًا وليست قابلة للتطبيق دائمًا ، لأن الطاقة لا تتدفق تلقائيًا من درجة حرارة منخفضة إلى درجة حرارة أعلى.

تعريف القانون الثاني للديناميكا الحرارية

هناك عدة طرق للتعبير عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، ولكن قبل ذلك علينا أن نفهم سبب تقديم القانون الثاني. نعتقد أنه في العملية اليومية الحقيقية ، يجب أن يفي القانون الأول للديناميكا الحرارية ، لكنه ليس إلزاميًا.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك مصباحًا كهربائيًا في غرفة يغطي الطاقة الكهربائية في الحرارة (الحرارية) وطاقة الضوء وستكون الغرفة أخف ، ولكن العكس غير ممكن: إذا قدمنا ​​نفس كمية الضوء والحرارة للمصباح ليتم تحويله في الطاقة الكهربائية. على الرغم من أن هذا التفسير لا يتعارض مع القانون الأول للديناميكا الحرارية ، في الواقع ، فإنه غير ممكن أيضًا.

بحسب ال بيان من كلفن بلانكس ، من المستحيل لأي جهاز يعمل في دورة ، أن يتلقى الحرارة من خزان واحد ويحوله 100٪ إلى عمل ، أي أنه لا يوجد محرك حراري يتمتع بكفاءة حرارية 100٪.

على الرغم من ذلك ، كلاوسيوس قال إنه "من المستحيل بناء جهاز يعمل في دورة وينقل الحرارة من خزان بدرجة حرارة منخفضة إلى خزان بدرجة حرارة عالية في غياب عمل خارجي".

لذلك ، من البيان أعلاه ، من الواضح أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يشرح كيف يحدث تحول الطاقة فقط في اتجاه معين ، وهو ما لم يتم تفسيره في القانون الأول للديناميكا الحرارية.

يقول القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والمعروف أيضًا باسم قانون الانتروبيا المعززة ، أنه بمرور الوقت ، ستزداد دائمًا الكون أو درجة الاضطراب في النظام. أعط مثالاً ، لهذا السبب نشعر بالارتباك بعد بدء أي عمل مع كل التخطيط مع تقدم العمل. وهكذا ، مع مرور الوقت ، تتزايد الاضطرابات أو الفوضى.

هذه الظاهرة قابلة للتطبيق في جميع الأنظمة ، أنه باستخدام الطاقة المفيدة ، سيتم توزيع الطاقة غير القابلة للاستخدام.

S = S (نظام) + S (محيط)> 0

كما هو موضح سابقًا ، تشير delS إلى أن التغيير الكلي في الإنتروبيا هو مجموع التغيير في إنتروبيا النظام والبيئة التي ستزداد لأي عملية حقيقية وقد لا تقل عن 0.

الاختلافات الرئيسية بين القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية

فيما يلي النقاط الأساسية للتمييز بين القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية:

  1. بحسب ال القانون الأول للديناميكا الحرارية ، "لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها ؛ لا يمكن تحويلها إلا من شكل إلى آخر". بحسب ال القانون الثاني للديناميكا الحرارية، الذي لا ينتهك القانون الأول ، لكنه ينص على أن الطاقة التي يتم تحويلها من دولة إلى أخرى ليست مفيدة دائمًا ويتم استخدامها بنسبة 100 ٪. لذلك ، يمكن القول أن "إنتروبيا (درجة الاضطراب) لنظام معزول لا تتناقص أبدًا ، ولكنها تزداد دائمًا".
  2. يمكن التعبير عن القانون الأول للديناميكا الحرارية باسم E = Q + Wيستخدم لحساب القيمة ، إذا كانت الكميتان معروفتان ، في حين يمكن التعبير عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه S = S (نظام) + S (محيط)> 0 .
  3. يعرب يعني أن التغيير في الطاقة الداخلية لنظام ما يساوي مجموع تدفق الحرارة في النظام والعمل المنجز في النظام حول القانون الأول. في القانون الثاني ، التغيير الكلي في الإنتروبيا هو مجموع التغيير في إنتروبيا النظام والبيئة التي تزيد لأي عملية حقيقية ولا يمكن أن تكون أقل من 0.

اكتمل

في هذه المقالة ، نناقش الديناميكا الحرارية ، التي لا تقتصر على الفيزياء أو الآلات ، مثل الثلاجات والسيارات والغسالات ، ولكن هذا المفهوم ينطبق على الحياة اليومية للجميع. على الرغم من أننا هنا ميزنا قانونين من الديناميكا الحرارية الأكثر إرباكًا ، كما نعلم ، هناك قانونان آخران ، سهل الفهم وغير متناقضين جدًا.