تاريخ الديناميكا الحرارية

استخدم الفيلسوف اليوناني بارمنيدس ، الذي عاش في القرن الخامس قبل الميلاد ، في عمله الوحيد المعروف، وهو قصيدة بعنوان " في الطبيعة "، الاستدلال اللفظي ليُقرّ بأن الفراغ، أو ما يُعرف اليوم بالفراغ الكوني ، لا يمكن أن يوجد في الطبيعة. وقد أيّد أرسطو هذا الرأي ، لكنه ووجه بانتقادات من ليوكيبوس وهيرو الإسكندري . ومنذ العصور القديمة وحتى العصور الوسطى، طُرحت حججٌ مختلفة لإثبات أو نفي وجود الفراغ الكوني، كما بُذلت محاولات عديدة لبنائه، لكنها جميعًا باءت بالفشل.

تُشكّل الذرية جزءًا محوريًا من العلاقة المعاصرة بين الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية. وقد وضع مفكرون قدماء، مثل ليوكيبوس وديموقريطس ، ولاحقًا الأبيقوريون ، أسس النظرية الذرية من خلال تطويرهم للذرية . وحتى ظهور البرهان التجريبي على وجود الذرات في القرن العشرين، كانت النظرية الذرية مدفوعة إلى حد كبير بالاعتبارات الفلسفية والحدس العلمي.

استطاع العلماء الأوروبيون كورنيليوس دريبل ، وروبرت فلود ، وجاليليو جاليلي ، وسانتوريو سانتوريو، في القرنين السادس عشر والسابع عشر، قياس درجة حرارة الهواء النسبية، سواءً كانت باردة أو ساخنة ، باستخدام مقياس حرارة بدائي (أو ثيرموسكوب ). وقد يكون هذا متأثرًا بجهاز سابق كان قادرًا على تمديد الهواء وتقليصه، صنعه فيلو البيزنطي وهيرو الإسكندري .

إن فكرة أن الحرارة شكل من أشكال الحركة ربما تكون فكرة قديمة، وقد ناقشها الفيلسوف والعالم الإنجليزي فرانسيس بيكون عام 1620 في كتابه " الأورغانوم الجديد ". وقد خلص بيكون إلى أن: "الحرارة في جوهرها وحقيقتها هي حركة لا غير." ^{[ 3 ]} "ليست... حركة الجسم ككل، بل حركة جزيئاته الصغيرة." ^{[ 4 ]}

في عام 1656، قام الفيزيائي والكيميائي الأيرلندي روبرت بويل ، بالتعاون مع العالم الإنجليزي روبرت هوك ، ببناء مضخة هواء. وباستخدام هذه المضخة، لاحظ بويل وهوك العلاقة بين الضغط والحجم: PV = ثابت. في ذلك الوقت، كان يُفترض أن الهواء نظام من الجسيمات الساكنة، وليس نظامًا من الجزيئات المتحركة. ظهر مفهوم الحركة الحرارية بعد قرنين من الزمان. ولذلك، يتناول منشور بويل عام 1660 مفهومًا ميكانيكيًا: نابض الهواء. ^{[ 10 ]} لاحقًا، وبعد اختراع الترمومتر، أصبح من الممكن قياس درجة الحرارة. أتاحت هذه الأداة لغاي لوساك الفرصة لاستنباط قانونه، الذي أدى بعد ذلك بوقت قصير إلى قانون الغاز المثالي .

قوانين الغاز باختصار

• قانون بويل (1662)
• نُشر قانون شارل لأول مرة بواسطة جوزيف لويس جاي لوساك في عام 1802، لكنه أشار إلى عمل غير منشور لجاك شارل من حوالي عام 1787. وقد تم التنبؤ بهذه العلاقة من خلال عمل غيوم أمونتونس في عام 1702.
• قانون جاي-لوساك (1802)

قام دينيس بابين ، أحد معاوني بويل، ببناء جهاز هضم العظام عام 1679، وهو عبارة عن وعاء مغلق بغطاء محكم يحبس البخار حتى يتولد ضغط عالٍ. وقد زُوّدت تصاميم لاحقة بصمام لتصريف البخار لمنع انفجار الجهاز. ومن خلال مراقبة حركة الصمام الإيقاعية صعودًا وهبوطًا، استلهم بابين فكرة محرك المكبس والأسطوانة. إلا أنه لم يُكمل تصميمه. ومع ذلك، في عام 1697، وبناءً على تصاميم بابين، طوّر توماس نيوكومن بشكل كبير "محرك النار" الذي صممه المهندس توماس سافري سابقًا، وذلك بإضافة مكبس. جعل هذا المحرك مناسبًا للأعمال الميكانيكية، بالإضافة إلى قدرته على الضخ إلى ارتفاعات تتجاوز 30 قدمًا، ولذا يُعتبر غالبًا أول محرك بخاري حقيقي.

تُدرك ظاهرة التوصيل الحراري بسهولة في الحياة اليومية. وقد أدرك إدموند هالي لأول مرة في عام 1686 حقيقة أن الهواء الدافئ يصعد إلى الأعلى وأهمية هذه الظاهرة في علم الأرصاد الجوية. ^{[ 11 ]}

في عام 1701، نشر السير إسحاق نيوتن قانونه للتبريد .

ظهرت نظرية الفلوجستون في القرن السابع عشر، في أواخر عصر الخيمياء. ويُعدّ استبدالها بنظرية السعرات الحرارية في القرن الثامن عشر أحد المؤشرات التاريخية للانتقال من الخيمياء إلى الكيمياء. كان الفلوجستون مادة افتراضية يُفترض أنها تنطلق من المواد القابلة للاحتراق أثناء الاحتراق ، ومن المعادن أثناء عملية الصدأ .

في عام 1702 قدم غيوم أمونتونس مفهوم الصفر المطلق بناءً على ملاحظات الغازات .

يُمكن العثور على تأمل علمي مبكر حول الطبيعة المجهرية والحركية للمادة والحرارة في عمل لميخائيل لومونوسوف ، حيث كتب: "لا ينبغي إنكار الحركة لمجرد أنها غير مرئية... تتحرك أوراق الأشجار عندما تهزها الرياح، على الرغم من أنها غير مرئية من مسافات بعيدة. وكما هو الحال في هذه الحالة، تبقى الحركة... خفية في الأجسام الدافئة بسبب صغر حجم الجسيمات المتحركة للغاية."

في نفس الفترة، نشر دانيال برنولي كتابه "الديناميكا المائية " (1738)، حيث اشتق معادلة لضغط الغاز آخذًا في الاعتبار تصادم ذراته بجدران وعاء. وأثبت أن هذا الضغط يساوي ثلثي متوسط ​​الطاقة الحركية للغاز في وحدة الحجم. مع ذلك، لم تُحدث أفكار برنولي تأثيرًا يُذكر على الثقافة السائدة آنذاك. ربط برنولي بين هذه الأفكار ومبدأ "القوة الحيوية " لغوتفريد لايبنتز ، وهو صياغة مبكرة لمبدأ حفظ الطاقة ، وتداخلت النظريتان بشكل وثيق عبر التاريخ.

ميز كارل فيلهلم شيل انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع الحراري (الحرارة الإشعاعية) عن انتقال الحرارة عن طريق الحمل الحراري والتوصيل في عام 1777.

في القرن السابع عشر، ساد الاعتقاد بأن جميع المواد تتمتع بموصلية كهربائية متطابقة، وأن الاختلافات في الإحساس ناتجة عن اختلاف سعتها الحرارية . إلا أن ظهور علم الكهرباء الجديد ، الذي أظهر بوضوح أن بعض المواد موصلة جيدة للكهرباء بينما البعض الآخر عازل فعال، قد أثار تساؤلات حول صحة هذا الاعتقاد . وقد أجرى يان إنجن-هاوس بعضًا من أوائل القياسات في الفترة ما بين 1785 و1789، وكذلك فعل بنيامين طومسون في الفترة نفسها.

في عام 1791، أثبت بيير بريفو أن جميع الأجسام تشع حرارة، بغض النظر عن درجة حرارتها. وفي عام 1804، لاحظ السير جون ليزلي أن السطح الأسود غير اللامع يشع حرارة بشكل أكثر فعالية من السطح المصقول، مما يشير إلى أهمية إشعاع الجسم الأسود .

في القرن التاسع عشر، تخلى العلماء عن فكرة وجود حرارة فيزيائية. ظهرت أولى التحديات التجريبية الجوهرية لنظرية الحرارة في عملٍ لبنيامين طومسون (الكونت رومفورد) عام ١٧٩٨، حيث بيّن أن حفر مدافع الحديد الزهر يُنتج كميات كبيرة من الحرارة التي عزاها إلى الاحتكاك . وكان عمله من أوائل الأعمال التي قوضت نظرية الحرارة.

ونتيجة لتجاربه في عام 1798، اقترح طومسون أن الحرارة شكل من أشكال الحركة، على الرغم من عدم بذل أي محاولة للتوفيق بين المناهج النظرية والتجريبية، ومن غير المرجح أنه كان يفكر في مبدأ vis viva .

على الرغم من أن محركات البخار المبكرة كانت بدائية وغير فعالة، إلا أنها استقطبت اهتمام كبار علماء ذلك العصر. كان من بين هؤلاء العلماء سادي كارنو ، "أبو الديناميكا الحرارية"، الذي نشر عام 1824 كتاب " تأملات في القوة الدافعة للنار "، وهو بحثٌ تناول الحرارة والطاقة وكفاءة المحركات. ويُشير معظم الباحثين إلى هذا الكتاب باعتباره نقطة انطلاق الديناميكا الحرارية كعلم حديث. (مع ذلك، لم يظهر مصطلح "الديناميكا الحرارية" إلا عام 1854، عندما صاغ عالم الرياضيات والفيزياء البريطاني ويليام طومسون (اللورد كلفن) هذا المصطلح في بحثه " حول النظرية الديناميكية للحرارة "). ^{[ 13 ]}

عرّف كارنو "القدرة المحركة" بأنها التعبير عن الأثر المفيد الذي يستطيع المحرك إنتاجه. وبهذا، قدّم لنا كارنو أول تعريف حديث لـ" الشغل ": وهو الوزن المرفوع لمسافة معينة . إن الرغبة في فهم هذا الأثر المفيد ، من خلال الصياغة، وعلاقته بـ"الشغل" هي جوهر الديناميكا الحرارية الحديثة.

على الرغم من أنه كان يعمل بنظرية السعرات الحرارية، فقد اقترح كارنو في عام 1824 أن بعض السعرات الحرارية المتاحة لتوليد عمل مفيد تضيع في أي عملية حقيقية.

على الرغم من أنه أصبح موضع شك من خلال عمل شيل، إلا أن ماسيدونيو ميلوني أثبت في عام 1831 أن الحرارة الإشعاعية يمكن أن تنعكس وتنكسر وتستقطب بنفس طريقة الضوء.

وضع جون هيراباث نظرية حركية بشكل مستقل عام 1820، لكنه أخطأ في ربط درجة الحرارة بالزخم بدلاً من القوة الحيوية أو الطاقة الحركية . وفي نهاية المطاف، لم يلقَ عمله قبولاً لدى لجنة المراجعة العلمية ، حتى من شخصٍ مُتحمّسٍ للمبدأ الحركي مثل همفري ديفي ، وتم تجاهله.

قدم جون جيمس ووترستون في عام 1843 سردًا دقيقًا إلى حد كبير، مرة أخرى بشكل مستقل، لكن عمله تلقى نفس الاستقبال، حيث فشل في مراجعة الأقران.

لم يبدأ التقدم الإضافي في النظرية الحركية إلا في منتصف القرن التاسع عشر، مع أعمال رودولف كلاوزيوس وجيمس كليرك ماكسويل ولودفيج بولتزمان .

قدمت الدراسات الكمية التي أجراها جول منذ عام 1843 فصاعدًا ظواهر قابلة للتكرار بدقة، وساهمت في ترسيخ علم الديناميكا الحرارية. في عام 1843، اكتشف جول تجريبيًا المكافئ الميكانيكي للحرارة . وفي عام 1845، نشر جول تجربته الأشهر، والتي تضمنت استخدام ثقل ساقط لتدوير عجلة مجداف في برميل ماء، مما سمح له بتقدير المكافئ الميكانيكي للحرارة بـ 819  قدم-رطل/وحدة حرارية بريطانية (4.41 جول/سعر حراري). أدى ذلك إلى نظرية حفظ الطاقة ، وشرح سبب قدرة الحرارة على بذل شغل.

تم تعميم فكرة الصفر المطلق في عام 1848 من قبل اللورد كلفن.

كما ابتكر جيبس ​​المفهوم الذي نعرفه الآن باسم المحتوى الحراري H ، وأطلق عليه اسم "دالة حرارية للضغط الثابت". ^{[ 18 ]} وقد صاغت هايك كامرلينغ أونيس المصطلح الحديث للمحتوى الحراري بعد سنوات عديدة ، ^{[ 19 ]} حيث استندت إليه في اشتقاقه من الكلمة اليونانية enthalpein التي تعني التسخين .

أدت رؤية جيمس كلارك ماكسويل عام 1862، التي مفادها أن كلاً من الضوء والحرارة الإشعاعية هما شكلان من أشكال الموجات الكهرومغناطيسية ، إلى بدء التحليل الكمي للإشعاع الحراري. وفي عام 1879، لاحظ جوزيف ستيفان أن التدفق الإشعاعي الكلي من جسم أسود يتناسب طرديًا مع القوة الرابعة لدرجة حرارته، وصاغ قانون ستيفان-بولتزمان . وقد اشتق لودفيج بولتزمان هذا القانون نظريًا عام 1884.

في عام 1900، توصل ماكس بلانك إلى صيغة دقيقة لطيف إشعاع الجسم الأسود. ولتطبيق هذه الصيغة على البيانات الجديدة، استلزم الأمر إدخال ثابت جديد، يُعرف بثابت بلانك ، وهو الثابت الأساسي في الفيزياء الحديثة. وباعتبار الإشعاع صادرًا من مذبذب تجويفي في حالة توازن حراري، أشارت الصيغة إلى أن الطاقة في التجويف لا توجد إلا بمضاعفات التردد مضروبًا في الثابت. أي أنها مُكمّمة. وقد جنّب هذا الاختلاف النظريةَ التباينَ الذي كانت ستؤدي إليه لولا التكميم.

في عام 1906، وضع والتر نيرنست القانون الثالث للديناميكا الحرارية .

وبناءً على الأسس المذكورة أعلاه، قام لارس أونساجر وإرفين شرودنغر وإيليا بريغوجين وآخرون بإدخال هذه "المفاهيم" المتعلقة بالمحركات إلى مسار كل فرع من فروع العلوم الحديثة تقريبًا.