الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية فرع من فروع الفيزياء يُعنى بالحرارة والشغل ودرجة الحرارة ، وعلاقتها بالطاقة والإنتروبيا والخواص الفيزيائية للمادة والإشعاع . ويخضع سلوك هذه الكميات لقوانين الديناميكا الحرارية الأربعة ، التي تُقدم وصفًا كميًا باستخدام كميات فيزيائية كلية قابلة للقياس ، ولكن يمكن تفسيرها بدلالة مكونات مجهرية باستخدام الميكانيكا الإحصائية . وتُطبق الديناميكا الحرارية على مواضيع متنوعة في العلوم والهندسة ، لا سيما الكيمياء الفيزيائية ، والكيمياء الحيوية ، والهندسة الكيميائية ، والهندسة الميكانيكية ، فضلًا عن مجالات معقدة أخرى كالأرصاد الجوية .

نشأت الديناميكا الحرارية تاريخيًا من الرغبة في زيادة كفاءة محركات البخار البدائية ، لا سيما بفضل أعمال الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو (1824). وكان الفيزيائي الاسكتلندي الأيرلندي اللورد كلفن أول من صاغ تعريفًا موجزًا ​​للديناميكا الحرارية عام 1854 ^{[ 1 ]} ، حيث نص على أن "الديناميكا الحرارية هي دراسة العلاقة بين الحرارة والقوى المؤثرة بين الأجزاء المتجاورة من الأجسام، والعلاقة بين الحرارة والتأثير الكهربائي". أعاد الفيزيائي والرياضي الألماني رودولف كلاوزيوس صياغة مبدأ كارنو المعروف بدورة كارنو، ومنح نظرية الحرارة أساسًا أكثر دقة ومتانة. وقد نصت ورقته البحثية الأهم، "حول القوة المتحركة للحرارة" ^{[ 2 ]} ، المنشورة عام 1850، على القانون الثاني للديناميكا الحرارية لأول مرة . وفي عام 1865، أطلق مصطلح "الإنتروبيا". وفي عام 1870، قدم نظرية فيريال ، التي تنطبق على الحرارة. ^{[ 3 ]}

سرعان ما امتد تطبيق الديناميكا الحرارية من دراسة المحركات الحرارية الميكانيكية إلى دراسة المركبات الكيميائية والتفاعلات الكيميائية. يدرس علم الديناميكا الحرارية الكيميائية طبيعة دور الإنتروبيا في عملية التفاعلات الكيميائية ، وقد أسهم بشكل كبير في توسع هذا المجال ومعرفته. ظهرت لاحقًا صياغات أخرى للديناميكا الحرارية، منها الديناميكا الحرارية الإحصائية ، أو الميكانيكا الإحصائية، التي تهتم بالتنبؤات الإحصائية للحركة الجماعية للجسيمات انطلاقًا من سلوكها المجهري. في عام ١٩٠٩، قدم قسطنطين كاراثيودوري منهجًا رياضيًا بحتًا في صياغة بديهية ، وهو وصف يُشار إليه غالبًا باسم الديناميكا الحرارية الهندسية .

يعتمد وصف أي نظام ديناميكي حراري على قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة التي تُشكل أساسًا بديهيًا. ينص القانون الأول على إمكانية انتقال الطاقة بين الأنظمة الفيزيائية على شكل حرارة ، وشغل ، وانتقال المادة. ^{[ 4 ]} أما القانون الثاني فيُعرّف وجود كمية تُسمى الإنتروبيا ، والتي تصف، من منظور الديناميكا الحرارية، الاتجاه الذي يمكن أن يتطور فيه النظام، وتُحدد حالة انتظام النظام، ويمكن استخدامها لتحديد مقدار الشغل المفيد الذي يُمكن استخلاصه من النظام. ^{[ 5 ]}

في الديناميكا الحرارية، تُدرس وتُصنف التفاعلات بين مجموعات كبيرة من الأجسام. ويُعدّ مفهوم النظام الديناميكي الحراري ومحيطه أساسيًا في هذا المجال . يتكون النظام من جسيمات، تحدد حركاتها المتوسطة خصائصه، وترتبط هذه الخصائص فيما بينها من خلال معادلات الحالة . ويمكن دمج الخصائص للتعبير عن الطاقة الداخلية والجهود الديناميكية الحرارية ، والتي تُفيد في تحديد شروط التوازن والعمليات التلقائية .

باستخدام هذه الأدوات، يمكن توظيف الديناميكا الحرارية لوصف كيفية استجابة الأنظمة للتغيرات في بيئتها. ويمكن تطبيق ذلك على طيف واسع من المواضيع في العلوم والهندسة ، مثل المحركات ، والتحولات الطورية ، والتفاعلات الكيميائية ، وظواهر النقل ، وحتى الثقوب السوداء . وتُعد نتائج الديناميكا الحرارية أساسيةً لمجالات أخرى في الفيزياء ، وللكيمياء ، والهندسة الكيميائية ، وهندسة التآكل ، وهندسة الطيران ، والهندسة الميكانيكية ، وعلم الأحياء الخلوي ، والهندسة الطبية الحيوية ، وعلم المواد ، والاقتصاد ، على سبيل المثال لا الحصر. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تركز هذه المقالة بشكل أساسي على الديناميكا الحرارية الكلاسيكية التي تدرس في المقام الأول الأنظمة في حالة التوازن الديناميكي الحراري . غالبًا ما تُعامل الديناميكا الحرارية غير المتوازنة كامتداد للمعالجة الكلاسيكية، لكن الميكانيكا الإحصائية قد حققت العديد من التطورات في هذا المجال.

يبدأ تاريخ الديناميكا الحرارية كفرع علمي عمومًا مع أوتو فون غيريكه ، الذي بنى وصمم في عام 1650 أول مضخة تفريغ في العالم ، وأثبت وجود فراغ باستخدام نصفي الكرة الأرضية من ماغدبورغ . كان دافع غيريكه هو دحض فرضية أرسطو الراسخة بأن "الطبيعة تكره الفراغ". بعد غيريكه بفترة وجيزة، علم الفيزيائي والكيميائي الأنجلو-إيرلندي روبرت بويل بتصاميم غيريكه، وفي عام 1656، وبالتنسيق مع العالم الإنجليزي روبرت هوك ، بنى مضخة هواء . ^{[ 9 ]} باستخدام هذه المضخة، لاحظ بويل وهوك وجود علاقة بين الضغط ودرجة الحرارة والحجم . وبمرور الوقت، تم صياغة قانون بويل ، الذي ينص على أن الضغط والحجم يتناسبان عكسيًا . ثم في عام 1679، وبناءً على هذه المفاهيم، قام أحد شركاء بويل المدعو دينيس بابين ببناء جهاز هضم بالبخار ، وهو عبارة عن وعاء مغلق بغطاء محكم الإغلاق يحبس البخار حتى يتم توليد ضغط عالٍ.

تضمنت التصاميم اللاحقة صمامًا لتصريف البخار يمنع انفجار الآلة . ومن خلال مراقبة حركة الصمام الإيقاعية صعودًا وهبوطًا، استلهم بابان فكرة محرك المكبس والأسطوانة. إلا أنه لم يُكمل تصميمه. ومع ذلك، في عام 1697، وبناءً على تصاميم بابان، بنى المهندس توماس سافري أول محرك، تبعه توماس نيوكومن في عام 1712. ورغم أن هذه المحركات المبكرة كانت بدائية وغير فعالة، إلا أنها استقطبت اهتمام كبار علماء ذلك العصر.

طُوِّرت المفاهيم الأساسية للسعة الحرارية والحرارة الكامنة ، الضرورية لتطوير الديناميكا الحرارية، على يد البروفيسور جوزيف بلاك في جامعة غلاسكو، حيث كان جيمس وات يعمل صانعًا للأدوات. أجرى بلاك ووات تجارب مشتركة، لكن وات هو من ابتكر فكرة المكثف الخارجي التي أدت إلى زيادة كبيرة في كفاءة المحرك البخاري . ^{[ 10 ]} وبالاستناد إلى كل الأعمال السابقة، نشر سادي كارنو ، "أبو الديناميكا الحرارية"، كتاب "تأملات في القوة الدافعة للنار " (1824)، وهو بحثٌ في الحرارة والطاقة والقدرة وكفاءة المحرك. وقد أوضح الكتاب العلاقات الطاقية الأساسية بين محرك كارنو ودورة كارنو والقوة الدافعة. وشكّل هذا الكتاب بداية الديناميكا الحرارية كعلم حديث. ^{[ 11 ]}

أُلِّف أول كتاب مدرسي في الديناميكا الحرارية عام ١٨٥٩ على يد ويليام رانكين ، الذي تلقى تدريباً في الفيزياء وكان أستاذاً للهندسة المدنية والميكانيكية في جامعة غلاسكو . ^{[ ١٢ ]} ظهر القانونان الأول والثاني للديناميكا الحرارية في وقت واحد خلال خمسينيات القرن التاسع عشر، استناداً بشكل أساسي إلى أعمال ويليام رانكين، ورودولف كلاوزيوس ، وويليام طومسون (اللورد كلفن). وقد وضع أسس الديناميكا الحرارية الإحصائية علماء فيزياء مثل جيمس كلارك ماكسويل ، ولودفيغ بولتزمان ، وماكس بلانك ، ورودولف كلاوزيوس، وج . ويلارد غيبس .

كلاوسيوس، الذي ذكر لأول مرة الأفكار الأساسية للقانون الثاني في ورقته البحثية "حول القوة المتحركة للحرارة"، ^{[ 2 ]} التي نُشرت عام 1850، ويُطلق عليه "أحد الآباء المؤسسين للديناميكا الحرارية"، ^{[ 13 ]} قدم مفهوم الإنتروبيا في عام 1865.

^{خلال الفترة ما بين عامي 1873 و1876 ،} نشر الفيزيائي الرياضي الأمريكي جوزيا ويلارد جيبس ​​سلسلة من ثلاث أوراق بحثية، أشهرها " حول توازن المواد غير المتجانسة" [14]، حيث بيّن فيها كيفية تحليل العمليات الديناميكية الحرارية، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية، بيانيًا، من خلال دراسة الطاقة والإنتروبيا والحجم ودرجة الحرارة والضغط ^{للنظام الديناميكي} الحراري ، بحيث يمكن تحديد ما إذا كانت العملية ستحدث تلقائيًا . [ 15 ] ^{كما كتب بيير} دوهيم في القرن التاسع عشر عن الديناميكا الحرارية الكيميائية. ^{[ 16 ]} وفي أوائل القرن العشرين، طبّق كيميائيون مثل جيلبرت ن. لويس ، وميرل راندال ^{[ 17 ]} ، وإي . أ. جوجنهايم ^{[ 18 ] [ 19 ]} الأساليب الرياضية لجيبس على تحليل العمليات الكيميائية.

لعلم الديناميكا الحرارية أصل لغوي معقد. ^{[ 20 ]}

بتحليل سطحي، تتكون الكلمة من جزأين يمكن تتبعهما إلى اليونانية القديمة. أولًا، مقطع thermo- (المتعلق بالحرارة، ويُستخدم في كلمات مثل thermometer ) يعود إلى الجذر θέρμη ( therme ) الذي يعني "حرارة". ثانيًا، كلمة dynamics (علم القوة) ^{[ 21 ]} تعود إلى الجذر δύναμις (dynamis ) الذي يعني "قوة". ^{[ 22 ] [ 23 ]}

في عام 1849، استخدم ويليام طومسون صفة الديناميكا الحرارية . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

في عام 1854، استخدم تومسون وويليام رانكين مصطلح الديناميكا الحرارية للدلالة على علم المحركات الحرارية العامة. ^{[ 25 ] [ 20 ]}

يزعم بيير بيرو أن مصطلح الديناميكا الحرارية صاغه جيمس جول عام 1858 للدلالة على علم العلاقات بين الحرارة والطاقة، ^{[ 11 ]} إلا أن جول لم يستخدم هذا المصطلح قط، بل استخدم بدلاً منه مصطلح " المحرك الديناميكي الحراري المثالي" في إشارة إلى مصطلحات طومسون عام 1849 ^{[ 24 ]} . ^{[ 20 ]}

لقد تطورت دراسة الأنظمة الديناميكية الحرارية إلى عدة فروع ذات صلة، يستخدم كل منها نموذجًا أساسيًا مختلفًا كأساس نظري أو تجريبي، أو يطبق المبادئ على أنواع مختلفة من الأنظمة.

تعتمد الديناميكا الحرارية أساسًا على أربعة قوانين، وهي قوانين عامة صالحة عند تطبيقها على الأنظمة التي تندرج ضمن القيود التي يفرضها كل قانون. في مختلف التفسيرات النظرية للديناميكا الحرارية، قد تُصاغ هذه القوانين بأشكال تبدو مختلفة، ولكن أبرزها هي الصيغ التالية.

القانون الأول

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على ما يلي: في عملية لا يحدث فيها انتقال للمادة، يكون التغير في الطاقة الداخلية ،${\displaystyle \Delta U}$، بالنسبة لنظام ديناميكي حراري، يساوي الطاقة المكتسبة على شكل حرارة،${\displaystyle Q}$، باستثناء العمل الديناميكي الحراري،${\displaystyle W}$، التي يقوم بها النظام على محيطه. ^{[ 32 ] [ ملاحظة 1 ]}

${\displaystyle \Delta U=QW}$.

أين${\displaystyle \Delta U}$يشير إلى التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق (حيث يكون انتقال الحرارة أو الشغل عبر حدود النظام ممكناً، ولكن انتقال المادة غير ممكن)،${\displaystyle Q}$يشير إلى كمية الطاقة المُزوَّدة للنظام على شكل حرارة، و${\displaystyle W}$يشير إلى مقدار الشغل الديناميكي الحراري الذي يبذله النظام على محيطه . ويمكن القول أيضاً إن آلات الحركة الدائمة من النوع الأول مستحيلة؛ الشغل${\displaystyle W}$يتطلب ما يقوم به نظام ما على محيطه أن تكون الطاقة الداخلية للنظام${\displaystyle U}$تتناقص أو تُستهلك، بحيث يجب إعادة تزويد كمية الطاقة الداخلية المفقودة من ذلك العمل على شكل حرارة.${\displaystyle Q}$بواسطة مصدر طاقة خارجي أو كشغل تقوم به آلة خارجية تؤثر على النظام (بحيث${\displaystyle U}$يتم استعادته) لجعل النظام يعمل باستمرار.

بالنسبة للعمليات التي تتضمن نقل المادة، يلزم بيان إضافي: مع مراعاة حالات المرجعية المرجعية الخاصة بكل نظام، عندما يتم دمج نظامين، قد يكون لهما تركيب كيميائي مختلف، مفصولين في البداية بجدار غير منفذ فقط، ومعزولين فيما عدا ذلك، في نظام جديد عن طريق العملية الديناميكية الحرارية لإزالة الجدار، فإن

${\displaystyle U_{0}=U_{1}+U_{2}}$،

حيث تشير U ₀ إلى الطاقة الداخلية للنظام المدمج، وتشير U ₁ و U ₂ إلى الطاقات الداخلية للأنظمة المنفصلة المعنية.

يُعد هذا القانون، بعد تكييفه مع الديناميكا الحرارية، تعبيراً عن مبدأ حفظ الطاقة ، الذي ينص على أن الطاقة يمكن تحويلها (تغييرها من شكل إلى آخر)، ولكن لا يمكن خلقها أو إفناؤها. ^{[ 33 ]}

الطاقة الداخلية خاصية أساسية للحالة الديناميكية الحرارية ، بينما الحرارة والشغل وسيلتان لنقل الطاقة يمكن من خلالهما تغيير هذه الحالة. يمكن تحقيق تغيير في الطاقة الداخلية لنظام ما بأي مزيج من الحرارة المضافة أو المُزالة والشغل المبذول على النظام أو بواسطته. وباعتبارها دالةً للحالة ، فإن الطاقة الداخلية لا تعتمد على الطريقة، أو على المسار الذي سلكه النظام للوصول إلى حالته، أو على الخطوات الوسيطة التي مرّ بها.

يُعدّ النظام الديناميكي الحراري مفهومًا أساسيًا في الديناميكا الحرارية ، وهو منطقة محددة بدقة من الكون قيد الدراسة. يُطلق على كل ما في الكون عدا النظام اسم المحيط . يفصل النظام عن بقية الكون حدٌّ، قد يكون ماديًا أو افتراضيًا، ولكنه يُستخدم لحصر النظام في حجم محدود. غالبًا ما تُوصف أجزاء هذا الحدّ بالجدران ، ولكل منها نفاذية محددة. تنتقل الطاقة، سواءً كانت شغلًا أو حرارة أو مادة ، بين النظام والمحيط عبر هذه الجدران، وفقًا لنفاذيتها.

يجب أخذ المادة أو الطاقة التي تعبر الحدود لإحداث تغيير في الطاقة الداخلية للنظام في الحسبان عند حساب معادلة توازن الطاقة. يمكن أن يكون الحجم المحصور بين الجدران هو المنطقة المحيطة بذرة واحدة ذات طاقة رنانة، كما حددها ماكس بلانك عام 1900؛ أو قد يكون كتلة من البخار أو الهواء في محرك بخاري ، كما حددها سادي كارنو عام 1824. ويمكن أن يكون النظام أيضًا مجرد نواة واحدة (أي نظام من الكواركات ) كما هو مفترض في الديناميكا الحرارية الكمومية . وعند تبني منظور أكثر مرونة، وإسقاط شرط التوازن الديناميكي الحراري، يمكن أن يكون النظام جسم إعصار استوائي ، كما نظّر له كيري إيمانويل عام 1986 في مجال الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي ، أو أفق حدث ثقب أسود .

تُصنّف الحدود إلى أربعة أنواع: ثابتة، ومتحركة، وحقيقية، وتخيلية. على سبيل المثال، في المحرك، يعني الحد الثابت أن المكبس مُثبّت في موضعه، حيث يمكن أن تحدث عملية ذات حجم ثابت. إذا سُمح للمكبس بالحركة، فإن هذا الحد يكون متحركًا، بينما تظل حدود الأسطوانة ورأس الأسطوانة ثابتة. بالنسبة للأنظمة المغلقة، تكون الحدود حقيقية، بينما في الأنظمة المفتوحة غالبًا ما تكون الحدود تخيلية. في حالة المحرك النفاث، يمكن افتراض حد تخيلي ثابت عند مدخل المحرك، وحدود ثابتة على طول سطح الغلاف، وحد تخيلي ثابت ثانٍ عبر فوهة العادم.

بشكل عام، يميز علم الديناميكا الحرارية ثلاثة أنواع من الأنظمة، يتم تعريفها من حيث ما يُسمح له بعبور حدودها:

تفاعلات الأنظمة الديناميكية الحرارية

نوع النظام	التدفق الكتلي	عمل	حرارة
يفتح	Y	Y	Y
مغلق	شمال	Y	Y
معزول حراريا	شمال	Y	شمال
معزول ميكانيكياً	شمال	شمال	Y
معزول	شمال	شمال	شمال

مع مرور الوقت في نظام معزول، تميل الفروقات الداخلية في الضغوط والكثافات ودرجات الحرارة إلى التلاشي. ويُقال إن النظام الذي اكتملت فيه جميع عمليات التوازن يكون في حالة توازن ديناميكي حراري .

بمجرد وصول النظام إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري، تصبح خصائصه، بحكم التعريف، ثابتة مع مرور الوقت. الأنظمة المتوازنة أبسط بكثير وأسهل فهمًا من الأنظمة غير المتوازنة. عند تحليل عملية ديناميكية حرارية، يُفترض غالبًا، تبسيطًا للأمر، أن كل حالة وسيطة في العملية تكون في حالة توازن، مما ينتج عنه عمليات ديناميكية حرارية تتطور ببطء شديد بحيث تسمح لكل خطوة وسيطة بأن تكون حالة توازن، وتُسمى هذه العمليات بالعمليات العكوسة .

عندما يكون النظام في حالة اتزان تحت مجموعة معينة من الظروف، يُقال إنه في حالة ديناميكية حرارية محددة . يمكن وصف حالة النظام بعدد من كميات الحالة التي لا تعتمد على العملية التي وصل بها النظام إلى حالته. تُسمى هذه الكميات بالمتغيرات المكثفة أو المتغيرات الشاملة وفقًا لكيفية تغيرها بتغير حجم النظام. يمكن وصف خصائص النظام بمعادلة حالة تُحدد العلاقة بين هذه المتغيرات. يمكن اعتبار الحالة وصفًا كميًا آنيًا لنظام مع ثبات عدد محدد من المتغيرات.

يمكن تعريف العملية الديناميكية الحرارية بأنها التطور الطاقي لنظام ديناميكي حراري ينتقل من حالة ابتدائية إلى حالة نهائية. ويمكن وصفها بكميات العملية . عادةً، تُفرَّق كل عملية ديناميكية حرارية عن غيرها من العمليات في طبيعتها الطاقية وفقًا للمعايير الثابتة، مثل درجة الحرارة والضغط والحجم، وما إلى ذلك. علاوة على ذلك، من المفيد تجميع هذه العمليات في أزواج، حيث يمثل كل متغير ثابت أحد عنصري الزوج المترافق .

تتضمن بعض العمليات الديناميكية الحرارية التي يتم دراستها بشكل شائع ما يلي:

• العملية الأديباتية : تحدث دون فقدان أو اكتساب للطاقة عن طريق الحرارة
• العملية متساوية المحتوى الحراري : تحدث عند محتوى حراري ثابت
• العملية متساوية الإنتروبيا : عملية كظيمة قابلة للانعكاس، تحدث عند إنتروبيا ثابتة.
• العملية متساوية الضغط : تحدث عند ضغط ثابت
• العملية متساوية الحجم : تحدث عند حجم ثابت (وتسمى أيضاً متساوية القياس/متساوية الحجم).
• العملية متساوية الحرارة : تحدث عند درجة حرارة ثابتة
• عملية الحالة المستقرة : تحدث دون تغيير في الطاقة الداخلية

يوجد نوعان من أدوات الديناميكا الحرارية : المقياس والخزان. المقياس الديناميكي الحراري هو أي جهاز يقيس أيًا من معلمات النظام الديناميكي الحراري . في بعض الحالات، تُعرَّف المعلمة الديناميكية الحرارية بدلالة أداة قياس مثالية. على سبيل المثال، ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنه إذا كان جسمان في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث، فإنهما يكونان أيضًا في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض. يؤكد هذا المبدأ، كما أشار إليه جيمس ماكسويل عام 1872، إمكانية قياس درجة الحرارة. مقياس الحرارة المثالي هو عينة من غاز مثالي عند ضغط ثابت. من قانون الغاز المثالي pV=nRT ، يمكن استخدام حجم هذه العينة كمؤشر لدرجة الحرارة؛ وبهذه الطريقة يُحدد درجة الحرارة. على الرغم من أن الضغط يُعرَّف ميكانيكيًا، إلا أنه يمكن أيضًا صنع جهاز لقياس الضغط، يُسمى البارومتر ، من عينة من غاز مثالي محفوظة عند درجة حرارة ثابتة. المسعر الحراري هو جهاز يُستخدم لقياس وتحديد الطاقة الداخلية لنظام ما.

الخزان الديناميكي الحراري هو نظام كبير الحجم لدرجة أن خصائصه لا تتغير بشكل ملحوظ عند ملامسته للنظام المدروس. عند ملامسة الخزان للنظام، يصل النظام إلى حالة توازن حراري معه. على سبيل المثال، خزان الضغط هو نظام عند ضغط معين، يفرض هذا الضغط على النظام المتصل به ميكانيكيًا. غالبًا ما يُستخدم الغلاف الجوي للأرض كخزان ضغط. ويمكن استخدام المحيط كخزان حراري عند تبريد محطات توليد الطاقة.

المفهوم الأساسي في الديناميكا الحرارية هو مفهوم الطاقة ، أي القدرة على بذل شغل . وبحسب القانون الأول ، فإن الطاقة الكلية للنظام ومحيطه محفوظة. ويمكن نقل الطاقة إلى النظام عن طريق التسخين أو الضغط أو إضافة المادة، واستخراجها منه عن طريق التبريد أو التمدد أو إزالة المادة. في الميكانيكا ، على سبيل المثال، يساوي انتقال الطاقة حاصل ضرب القوة المؤثرة على الجسم في الإزاحة الناتجة.

المتغيرات المترافقة هي أزواج من المفاهيم الديناميكية الحرارية، حيث يشبه الأول "القوة" المؤثرة على نظام ديناميكي حراري ، ويشبه الثاني "الإزاحة" الناتجة، وحاصل ضربهما يساوي كمية الطاقة المنقولة. ومن المتغيرات المترافقة الشائعة:

• الضغط – الحجم ( المعايير الميكانيكية )؛
• درجة الحرارة – الإنتروبيا (المعلمات الحرارية)؛
• الجهد الكيميائي – عدد الجسيمات (معلمات المادة).

الكمونات الديناميكية الحرارية هي مقاييس كمية مختلفة للطاقة المخزنة في نظام ما. تُستخدم هذه الكمونات لقياس تغيرات الطاقة في الأنظمة أثناء تطورها من حالة ابتدائية إلى حالة نهائية. يعتمد الكمون المستخدم على قيود النظام، مثل ثبات درجة الحرارة أو الضغط. على سبيل المثال، طاقة هيلمهولتز وطاقة جيبس ​​هما الطاقتان المتاحتان في النظام لأداء شغل مفيد عندما تكون درجة الحرارة والحجم ثابتين، أو الضغط ودرجة الحرارة ثابتين، على التوالي. لا يمكن قياس الكمونات الديناميكية الحرارية في المختبرات، ولكن يمكن حسابها باستخدام الديناميكا الحرارية الجزيئية. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

أبرز خمسة مرشحين محتملين هم:

اسم	رمز	صيغة	المتغيرات الطبيعية
الطاقة الداخلية	${\displaystyle U}$	${\displaystyle \int \left(T\,\mathrm {d} Sp\,\mathrm {d} V+\sum _{i}\mu _{i}\mathrm {d} N_{i}\right)}$	${\displaystyle S,V,\{N_{i}\}}$
طاقة هلمهولتز الحرة	${\displaystyle A}$	${\displaystyle U-TS}$	${\displaystyle T,V,\{N_{i}\}}$
المحتوى الحراري	${\displaystyle H}$	${\displaystyle U+pV}$	${\displaystyle S,p,\{N_{i}\}}$
طاقة جيبس ​​الحرة	${\displaystyle G}$	${\displaystyle U+pV-TS}$	${\displaystyle T,p,\{N_{i}\}}$
إمكانات لاندو، أو الإمكانات الكبرى	$أوميغا$،${\displaystyle \Phi _{\text{G}}}$	${\displaystyle U-TS-}$${\displaystyle \sum _{i}\,}$${\displaystyle \mu _{i}N_{i}}$	${\displaystyle T,V,\{\mu _{i}\}}$

أين${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة ،${\displaystyle S}$الإنتروبيا ،​${\displaystyle p}$الضغط ،​${\displaystyle V}$الحجم ،​${\displaystyle \mu }$الجهد الكيميائي ،${\displaystyle N}$عدد الجسيمات في النظام، و${\displaystyle i}$يمثل عدد أنواع الجسيمات في النظام.

يمكن اشتقاق الكمونات الديناميكية الحرارية من معادلة توازن الطاقة المطبقة على نظام ديناميكي حراري. كما يمكن الحصول على كمونات ديناميكية حرارية أخرى من خلال تحويل ليجندر .

الديناميكا الحرارية البديهية هي فرع رياضي يهدف إلى وصف الديناميكا الحرارية من حيث البديهيات الصارمة ، على سبيل المثال من خلال إيجاد طريقة رياضية صارمة للتعبير عن قوانين الديناميكا الحرارية المألوفة .

كانت أول محاولة لوضع نظرية بديهية للديناميكا الحرارية هي كتاب قسطنطين كاراثيودوري " دراسات في أسس الديناميكا الحرارية" الصادر عام 1909 ، والذي استخدم أنظمة بفاف ومفهوم إمكانية الوصول الأديباتية ، وهو مفهوم قدمه كاراثيودوري نفسه. ^{[ 36 ] [ 37 ]} في هذه الصياغة، تُشتق المفاهيم الديناميكية الحرارية مثل الحرارة والإنتروبيا ودرجة الحرارة من كميات قابلة للقياس بشكل مباشر. ^{[ 38 ]} اختلفت النظريات اللاحقة في أنها افترضت وجود حالات ابتدائية ونهائية عشوائية فيما يتعلق بالعمليات الديناميكية الحرارية ، بدلاً من الاقتصار على دراسة الحالات المجاورة فقط .

• مسار العملية الديناميكية الحرارية
• محرك كارنو (شرح مبسط)

• جولدشتاين، مارتن وإنجي ف. (1993). الثلاجة والكون . مطبعة جامعة هارفارد. ISBN 978-0-674-75325-9. OCLC 32826343 . مقدمة غير تقنية، جيدة في المسائل التاريخية والتفسيرية.
• كازاكوف، أندريه؛ موزني، كريس د.؛ تشيريكو، روبرت د.؛ ديكي، فلاديمير ف.؛ فرينكل، مايكل (2008). "جداول الديناميكا الحرارية على الإنترنت - نسخة إلكترونية من جداول الديناميكا الحرارية TRC" . مجلة البحوث الصادرة عن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 113 (4): 209-220 . doi : 10.6028 / jres.113.016 . ISSN 1044-677X . PMC 4651616. PMID 27096122 .   
• جيبس جيه دبليو (1928). الأعمال الكاملة لجيه ويلارد جيبس ​​في الديناميكا الحرارية . نيويورك: لونجمانز، جرين وشركاه.المجلد 1، الصفحات  55-349.
• غوغنهايم إي إيه (1933). الديناميكا الحرارية الحديثة بطرق ويلارد غيبس . لندن: ميثوين وشركاه المحدودة.
• دينبي ك. (1981). مبادئ التوازن الكيميائي: مع تطبيقات في الكيمياء والهندسة الكيميائية . لندن: مطبعة جامعة كامبريدج.
• ستول، دي آر، ويستروم الابن، إي إف، وسينك، جي سي (1969). الديناميكا الحرارية الكيميائية للمركبات العضوية . لندن: جون وايلي وأولاده، إنك.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
• بازاروف، آي. بي. (2010). الديناميكا الحرارية: كتاب مدرسي . سانت بطرسبرغ: دار نشر لان. ص  384. ISBN 978-5-8114-1003-3.الطبعة الخامسة (باللغة الروسية)
• باويندي مونجي جي، ألبرتي روبرت أ، وسيلبي روبرت ج (2004). الكيمياء الفيزيائية . جون وايلي وأولاده، المحدودة.
• ألبرتي روبرت أ. (2003). الديناميكا الحرارية للتفاعلات الكيميائية الحيوية . وايلي-إنترساينس.
• ألبرتي، روبرت أ. (2006). الديناميكا الحرارية الكيميائية الحيوية: تطبيقات برنامج ماثيماتيكا . المجلد  48. جون وايلي وأولاده، الصفحات 1-458 . ISBN  978-0-471-75798-6PMID 16878778​​ {{cite book}}تم |journal=تجاهله ( مساعدة )
• ديل، كين أ.، وبرومبيرغ، سارينا (2011). القوى الدافعة الجزيئية: الديناميكا الحرارية الإحصائية في علم الأحياء والكيمياء والفيزياء وعلوم النانو . جارلاند ساينس. ISBN 978-0-8153-4430-8.
• إم. سكوت شيل (2015). الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية: منهج متكامل . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1107656789.
• دوغلاس إي. باريك (2018). الديناميكا الحرارية الجزيئية الحيوية: من النظرية إلى التطبيقات . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-1-4398-0019-5.

العناوين التالية أكثر تخصصاً:

• بيجان، أدريان (2016). الديناميكا الحرارية الهندسية المتقدمة (  الطبعة الرابعة). وايلي. ISBN 978-1-119-05209-8.
• سينجل، يونس أ.، وبولز، مايكل أ. (2002). الديناميكا الحرارية - منهج هندسي . ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-238332-4. OCLC 45791449 . {{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
• دانينغ-ديفيز، جيريمي (1997). الديناميكا الحرارية الموجزة: المبادئ والتطبيقات . دار هوروود للنشر. رقم ISBN 978-1-8985-6315-0. OCLC 36025958 . 
• كرومر، هربرت وكيتل، تشارلز (1980). الفيزياء الحرارية . شركة دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 978-0-7167-1088-2. OCLC 32932988 . 

• الوسائط المتعلقة بالديناميكا الحرارية على ويكيميديا ​​كومنز

• كاليندر، هيو لونغبورن (1911). "الديناميكا الحرارية"  . الموسوعة البريطانية . المجلد  26 (  الطبعة الحادية عشرة). الصفحات 808-814 . 
• مواقع إلكترونية لبيانات الديناميكا الحرارية وحساب الخصائص، مؤرشفة بتاريخ ١١ فبراير ٢٠١٤ على موقع Wayback Machine
• مواقع تعليمية في الديناميكا الحرارية، مؤرشفة بتاريخ 14 يونيو 2015 على موقع Wayback Machine
• الديناميكا الحرارية للكيمياء الحيوية
• الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية
• الديناميكا الحرارية الهندسية – منهج بياني
• الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية، بقلم ريتشارد فيتزباتريك