التوازن الحراري

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

تطور التوازن الحراري في نظام مغلق بمرور الوقت من خلال تدفق حراري يعمل على تسوية فروق درجات الحرارة

يكون نظامان فيزيائيان في حالة اتزان حراري إذا لم يكن هناك تدفق صافٍ للطاقة الحرارية بينهما عند اتصالهما بمسار نفاذ للحرارة . ويخضع الاتزان الحراري للقانون الصفري للديناميكا الحرارية . ويُقال إن النظام في حالة اتزان حراري مع نفسه إذا كانت درجة الحرارة داخله متجانسة مكانيًا وثابتة زمنيًا.

تكون الأنظمة في حالة توازن ديناميكي حراري دائمًا في حالة توازن حراري، ولكن العكس ليس صحيحًا دائمًا. فإذا سمحت العلاقة بين النظامين بانتقال الطاقة على شكل "تغير في الطاقة الداخلية " ولكنها لم تسمح بانتقال المادة أو انتقال الطاقة على شكل شغل ، فقد يصل النظامان إلى التوازن الحراري دون الوصول إلى التوازن الديناميكي الحراري.

نوعان من التوازن الحراري

علاقة التوازن الحراري بين جسمين متصلين حرارياً

تُعدّ علاقة التوازن الحراري مثالًا على التوازن بين جسمين، ما يعني أنها تشير إلى انتقال الحرارة عبر حاجز شبه منفذ للمادة أو الشغل؛ وتُسمى هذه العلاقة بالوصلة الحرارية. ووفقًا لليب وينغفاسون، فإن المعنى الأساسي لعلاقة التوازن الحراري يتضمن كونها انعكاسية ومتناظرة. ولا يشمل هذا المعنى ما إذا كانت العلاقة متعدية أم لا. وبعد مناقشة دلالات التعريف، يفترضان بديهية فيزيائية جوهرية، أطلقا عليها اسم "القانون الصفري للديناميكا الحرارية"، وهي أن التوازن الحراري علاقة متعدية. ويشيران إلى أن فئات التكافؤ للأنظمة التي تم تحديدها تُسمى خطوط تساوي الحرارة. [ 1 ]

التوازن الحراري الداخلي لجسم معزول

يشير التوازن الحراري لجسم ما في ذاته إلى حالة الجسم عندما يكون معزولاً. ويفترض هذا أن الحرارة لا تدخل إليه ولا تخرج منه، وأن يُمنح وقتاً غير محدود ليستقر وفقاً لخصائصه الذاتية. فعندما يستقر تماماً، بحيث لا يمكن رصد أي تغيير مرئي، يكون الجسم في حالة توازن حراري ذاتي. ولا يعني هذا بالضرورة أنه في حالة توازن داخلي من نوع آخر. فعلى سبيل المثال، من الممكن أن يصل جسم ما إلى حالة توازن حراري داخلي دون أن يكون في حالة توازن كيميائي داخلي؛ والزجاج مثال على ذلك. [ 2 ]

يمكن تخيل نظام معزول، ليس في حالة توازن حراري داخلي في البداية. يمكن إخضاعه لعملية ديناميكية حرارية افتراضية تتمثل في تقسيمه إلى نظامين فرعيين لا يفصل بينهما أي شيء، أي لا يوجد جدار. يمكن حينها دراسة إمكانية انتقال الطاقة على شكل حرارة بين النظامين الفرعيين. بعد فترة طويلة من عملية التقسيم الافتراضية، سيصل النظامان الفرعيان إلى حالة شبه مستقرة، وبالتالي يكونان في حالة توازن حراري. يمكن إجراء هذه التجربة بطرق لا حصر لها، باستخدام تقسيمات افتراضية مختلفة. ستؤدي جميعها إلى أنظمة فرعية يمكن إثبات أنها في حالة توازن حراري، وذلك باختبار الأنظمة الفرعية من تقسيمات مختلفة. لهذا السبب، فإن النظام المعزول، الذي ليس في حالة توازن حراري داخلي في البداية، ولكنه يُترك لفترة طويلة، سيصل دائمًا تقريبًا إلى حالة نهائية يمكن اعتبارها حالة توازن حراري داخلي. هذه الحالة النهائية هي حالة من التجانس المكاني أو التوزيع المتساوي لدرجة الحرارة. [ 3 ] يُعدّ وجود مثل هذه الحالات فرضية أساسية في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية. [ 4 ] [ 5 ] تُسمى هذه الفرضية أحيانًا، ولكن ليس غالبًا، القانون الأول السالب للديناميكا الحرارية. [ 6 ] ويُستثنى من ذلك الأنظمة الكمومية المعزولة، وهي أنظمة متعددة الأجسام متمركزة ، ولا تصل أبدًا إلى حالة التوازن الحراري الداخلي.

التلامس الحراري

يمكن للحرارة أن تتدفق إلى داخل أو خارج نظام مغلق عن طريق التوصيل الحراري أو الإشعاع الحراري من أو إلى خزان حراري ، وعندما تؤدي هذه العملية إلى انتقال صافٍ للحرارة، لا يكون النظام في حالة توازن حراري. ومع استمرار انتقال الطاقة على شكل حرارة، قد تتغير درجة حرارة النظام.

الأجسام المُجهزة بدرجات حرارة موحدة بشكل منفصل، ثم تدخل في اتصال حراري بحت مع بعضها البعض

إذا تم تحضير جسمين منفصلين بحالة سكون مجهرية، ثم وُضعا في اتصال حراري بحت مع بعضهما البعض، عبر مسارات التوصيل أو الإشعاع، فإنهما سيصلان إلى حالة اتزان حراري عندما لا يطرأ أي تغيير على أي منهما بعد الاتصال. أما إذا لم يكونا في حالة اتزان حراري في البداية، فإن الحرارة ستنتقل من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأبرد، عبر أي مسار متاح، سواء كان توصيلًا أو إشعاعًا، وسيستمر هذا التدفق حتى يتحقق الاتزان الحراري، وعندها ستكون لهما نفس درجة الحرارة.

أحد أشكال التوازن الحراري هو توازن التبادل الإشعاعي. [ 7 ] [ 8 ] جسمان، لكل منهما درجة حرارة منتظمة، متصلان إشعاعيًا فقط، بغض النظر عن المسافة بينهما، أو وجود عوائق جزئية أو عاكسة أو انكسارية في مسار التبادل الإشعاعي، وهما ثابتان بالنسبة لبعضهما البعض، سيتبادلان الإشعاع الحراري، بحيث ينقل الجسم الأكثر سخونة الطاقة إلى الجسم الأبرد، وسيتبادلان كميات متساوية ومتعاكسة عندما يكونان عند نفس درجة الحرارة. في هذه الحالة، ينطبق قانون كيرشوف لتساوي الانبعاثية الإشعاعية والامتصاصية، ومبدأ هيلمهولتز للتبادلية .

تغيير الحالة الداخلية لنظام معزول

إذا تُرك نظام فيزيائي معزول مبدئيًا ، دون جدران داخلية تُنشئ أنظمة فرعية معزولة حراريًا ، لفترة كافية، فإنه عادةً ما يصل إلى حالة توازن حراري داخلي، حيث تكون درجة حرارته موحدة في جميع أنحائه، ولكن ليس بالضرورة حالة توازن ديناميكي حراري، إذا وُجد حاجز بنيوي يمنع بعض العمليات المحتملة في النظام من الوصول إلى حالة التوازن؛ والزجاج مثال على ذلك. وتتناول الديناميكا الحرارية الكلاسيكية عمومًا أنظمة مثالية وصلت إلى حالة توازن داخلي، وعمليات نقل مثالية للمادة والطاقة بينها .

قد يكون النظام الفيزيائي المعزول غير متجانس ، أو قد يتكون من عدة أنظمة فرعية مفصولة عن بعضها بجدران. إذا عُزل نظام فيزيائي غير متجانس في البداية، بدون جدران داخلية، بفعل عملية ديناميكية حرارية، فإنه سيغير حالته الداخلية بمرور الوقت. أو إذا كان يتكون من عدة أنظمة فرعية مفصولة عن بعضها بجدران، فقد يغير حالته بعد عملية ديناميكية حرارية تُغير جدرانه. قد تشمل هذه التغييرات تغير درجة الحرارة أو التوزيع المكاني لها، بتغيير حالة المواد المكونة له. قضيب من الحديد، مُجهز في البداية ليكون ساخنًا من أحد طرفيه وباردًا من الطرف الآخر، عندما يُعزل، سيتغير بحيث تصبح درجة حرارته موحدة على طوله؛ وخلال هذه العملية، لا يكون القضيب في حالة توازن حراري حتى تصبح درجة حرارته موحدة. في نظام مُجهز على شكل كتلة من الجليد تطفو في حمام من الماء الساخن، ثم يُعزل، يمكن أن يذوب الجليد؛ وخلال الذوبان، لا يكون النظام في حالة توازن حراري؛ ولكن في النهاية، ستصبح درجة حرارته موحدة؛ ولن تتشكل كتلة الجليد مرة أخرى. يمكن إشعال نظام مُعدّ كمزيج من بخار البنزين والهواء بواسطة شرارة وإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء؛ إذا حدث هذا في نظام معزول، فسوف يزيد من درجة حرارة النظام، وخلال هذه الزيادة، لا يكون النظام في حالة توازن حراري؛ ولكن في النهاية، سيستقر النظام عند درجة حرارة موحدة.

تُعدّ هذه التغييرات في الأنظمة المعزولة غير قابلة للانعكاس، بمعنى أنه بينما يحدث هذا التغيير تلقائيًا كلما تم تحضير النظام بنفس الطريقة، فإن التغيير العكسي يكاد يكون مستحيلاً حدوثه تلقائيًا داخل النظام المعزول؛ وهذا جزء كبير من مضمون القانون الثاني للديناميكا الحرارية . لا توجد أنظمة معزولة تمامًا في الطبيعة، وإنما يتم تحضيرها دائمًا بشكل مصطنع.

في مجال الجاذبية

يمكن النظر إلى نظام محصور داخل وعاء عازل حراريًا طويل جدًا ذي جدران صلبة، يحتوي في البداية على توزيع حراري غير متجانس للمادة، ويُترك لفترة طويلة تحت تأثير مجال جاذبية ثابت على امتداد طوله، ناتج عن جسم خارجي كالأرض. سيستقر النظام عند حالة من درجة حرارة موحدة في جميع أجزائه، وإن لم يكن الضغط أو الكثافة موحدين، وربما يحتوي على عدة أطوار. عندئذٍ يكون النظام في حالة توازن حراري داخلي، بل وحتى في حالة توازن ديناميكي حراري. هذا يعني أن جميع أجزاء النظام المحلية في حالة توازن تبادل إشعاعي متبادل، مما يعني أن درجة حرارة النظام موحدة مكانيًا. [ 8 ] ينطبق هذا على جميع الحالات، بما في ذلك حالات مجالات القوى الخارجية غير المنتظمة. بالنسبة لمجال جاذبية خارجي مفروض، يمكن إثبات ذلك من الناحية الديناميكية الحرارية الكلية، باستخدام حساب التفاضل والتكامل، وباستخدام طريقة معاملات لاغرانج. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] كما تدعم اعتبارات النظرية الحركية أو الميكانيكا الإحصائية هذا البيان. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

الفروقات بين التوازن الحراري والتوازن الديناميكي الحراري

ثمة فرق جوهري بين التوازن الحراري والتوازن الديناميكي الحراري . فبحسب مونستر (1970)، في حالات التوازن الديناميكي الحراري، لا تتغير متغيرات حالة النظام بمعدل قابل للقياس. علاوة على ذلك، فإن شرط "بمعدل قابل للقياس" يعني أنه لا يمكننا اعتبار التوازن إلا فيما يتعلق بعمليات محددة وظروف تجريبية معينة. كما يمكن وصف حالة التوازن الديناميكي الحراري بعدد أقل من المتغيرات الكلية مقارنةً بأي حالة أخرى لجسم معين من المادة. يمكن لجسم معزول أن يبدأ في حالة لا تُمثل حالة توازن ديناميكي حراري، ويمكن أن يتغير حتى يصل إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري. التوازن الحراري هو علاقة بين جسمين أو نظامين مغلقين، حيث يُسمح بانتقال الطاقة فقط، ويحدث ذلك عبر حاجز نفاذ للحرارة، وتستمر عمليات الانتقال حتى تتوقف حالات الأجسام عن التغير. [ 22 ]

يُفرّق سي جيه أدكينز بوضوح بين "التوازن الحراري" و"التوازن الديناميكي الحراري". فهو يُجيز لنظامين تبادل الحرارة مع منعهما من تبادل الشغل؛ إذ سيتبادلان الحرارة بشكل طبيعي حتى تتساوى درجات حرارتهما، ويصلان إلى التوازن الحراري، لكنهما عمومًا لن يكونا في حالة توازن ديناميكي حراري. ويمكنهما الوصول إلى التوازن الديناميكي الحراري عندما يُسمح لهما أيضًا بتبادل الشغل. [ 23 ]

يُقدّم بي سي يو تمييزًا واضحًا آخر بين "التوازن الحراري" و"التوازن الديناميكي الحراري". فهو يدرس نظامين متصلين حراريًا، أحدهما مقياس حرارة، والآخر نظام تحدث فيه عدة عمليات غير قابلة للانعكاس. ويتناول الحالة التي يكون فيها كل من قراءة مقياس الحرارة والعمليات غير القابلة للانعكاس ثابتين خلال الفترة الزمنية محل الاهتمام. عندئذٍ، يتحقق التوازن الحراري دون وجود توازن ديناميكي حراري. ويقترح يو بالتالي إمكانية تطبيق القانون الصفري للديناميكا الحرارية حتى في غياب التوازن الديناميكي الحراري؛ كما يقترح أنه إذا كانت التغيرات تحدث بسرعة كبيرة بحيث يتعذر تحديد درجة حرارة ثابتة، فإنه "يصبح من المستحيل وصف العملية باستخدام الصيغة الديناميكية الحرارية. بعبارة أخرى، تفقد الديناميكا الحرارية معناها في مثل هذه العملية". [ 24 ]

التوازن الحراري للكواكب

يكون الكوكب في حالة توازن حراري عندما تكون الطاقة الساقطة التي تصل إليه (عادةً الإشعاع الشمسي من نجمه الأم) مساوية للطاقة تحت الحمراء المشعة إلى الفضاء.

انظر أيضاً

الاقتباسات

  1. ↑ Lieb, EH, Yngvason, J. (1999). The physics and maths of the second law of thermodynamics, Physics Reports , 314 : 1–96, p. 55–56.
  2. ↑ أدكنز، سي جيه (1968/1983)، ص 249-251.
  3. ↑ بلانك، م. ، (1897/1903)، ص. 3.
  4. ↑ تيزا، ل. (1966)، ص. 108.
  5. ↑ بايلين، م. (1994)، ص. 20.
  6. ↑ مارسيلاند، روبرت؛ براون، هارفي ر.؛ فالينتي، جيوفاني (2015). "الزمن واللاانعكاسية في الديناميكا الحرارية البديهية". المجلة الأمريكية للفيزياء . 83 (7): 628-634 . Bibcode : 2015AmJPh..83..628M . doi : 10.1119/1.4914528 . hdl : 11311/1043322 . S2CID 117173742 . 
  7. ^ بريفوست، ص. (1791). ذاكرة حول توازن النار. جورنال دي فيزيك (باريس)، المجلد. 38 ص 314-322.
  8. 1 2 بلانك، م. (1914)، ص. 40.
  9. ↑ جيبس، جيه دبليو (1876/1878)، ص 144-150.
  10. ^ ter Haar، D. , Wergeland, H. (1966)، الصفحات من 127 إلى 130.
  11. ↑ مونستر، أ. (1970)، ص 309-310.
  12. ↑ بايلين، م. (1994)، ص 254-256.
  13. ↑ فيركلي، دبليو تي إم؛ جيركيما، تي. (2004). "حول ملامح الإنتروبيا القصوى" . مجلة علوم الغلاف الجوي . 61 (8): 931-936 . Bibcode : 2004JAtS...61..931V . doi : 10.1175/1520-0469(2004)061 < 0931 :OMEP > 2.0.CO ; 2. ISSN 1520-0469 . 
  14. ↑ أكمايف، ر.أ. (2008). حول طاقة ملفات تعريف درجة الحرارة ذات الإنتروبيا القصوى، المجلة الفصلية للجمعية الملكية للأرصاد الجوية ، 134 : 187-197.
  15. ↑ ماكسويل، جيه سي (1867).
  16. ↑ بولتزمان، ل. (1896/1964)، ص 143.
  17. ↑ تشابمان، إس.، كاولينج، تي جي (1939/1970)، القسم 4.14، ص 75-78.
  18. ↑ بارتينغتون، جيه آر (1949)، ص 275-278.
  19. ↑ كومبس، سي إيه، لاو، إتش. (1985). مفارقة تتعلق بتوزيع درجة حرارة الغاز في مجال الجاذبية، المجلة الأمريكية للفيزياء ، 53 : 272-273.
  20. ↑ رومان، إف إل، وايت، جيه إيه، فيلاسكو، إس. (1995). توزيعات الجسيمات المفردة الميكروكانونية لغاز مثالي في مجال جاذبية، المجلة الأوروبية للفيزياء ، 16 : 83-90.
  21. ↑ فيلاسكو، إس.، رومان، إف إل، وايت، جيه إيه (1996). حول مفارقة تتعلق بتوزيع درجة الحرارة لغاز مثالي في مجال جاذبية، المجلة الأوروبية للفيزياء ، 17 : 43-44.
  22. ↑ مونستر، أ. (1970)، ص. 6، 22، 52.
  23. ↑ أدكنز، سي جيه (1968/1983)، ص 6-7.
  24. ↑ Eu, BC (2002). الديناميكا الحرارية المعممة. الديناميكا الحرارية للعمليات غير العكوسية والديناميكا المائية المعممة ، دار نشر كلوير الأكاديمية، دوردريخت، ISBN 1-4020-0788-4، الصفحة 13.

مراجع الاقتباس

  • أدكنز، سي جيه (1968/1983). الديناميكا الحرارية للتوازن ، الطبعة الثالثة، ماكجرو هيل، لندن، رقم ISBN 0-521-25445-0.
  • بايلين، م. (1994). مسح للديناميكا الحرارية ، مطبعة المعهد الأمريكي للفيزياء، نيويورك، ISBN 0-88318-797-3.
  • بولتزمان، ل. (1896/1964). محاضرات في نظرية الغاز ، ترجمة إس جي براش، مطبعة جامعة كاليفورنيا، بيركلي.
  • تشابمان، إس. ، وكاولينغ، تي جي (1939/1970). النظرية الرياضية للغازات غير المتجانسة. شرح للنظرية الحركية للزوجة والتوصيل الحراري والانتشار في الغازات ، الطبعة الثالثة 1970، مطبعة جامعة كامبريدج، لندن.
  • جيبس، جيه دبليو (1876/1878). حول توازن المواد غير المتجانسة، معاملات أكاديمية كونيتيكت ، 3 : 108-248، 343-524، أعيد طبعه في الأعمال الكاملة لجيه ويلارد جيبس، الحاصل على درجة الدكتوراه، ودرجة الدكتوراه في القانون ، حرره دبليو آر لونجلي، آر جي فان نيم، لونجمانز، جرين وشركاه، نيويورك، 1928، المجلد 1، الصفحات  55-353.
  • ماكسويل، جيه سي (1867). حول النظرية الديناميكية للغازات، معاملات الجمعية الملكية في لندن ، 157 : 49-88.
  • مونستر، أ. (1970). الديناميكا الحرارية الكلاسيكية ، ترجمة إي إس هالبرشتات، وايلي-إنترساينس، لندن.
  • بارتينغتون، جيه آر (1949). دراسة متقدمة في الكيمياء الفيزيائية ، المجلد 1، المبادئ الأساسية. خصائص الغازات ، لونغمانز، غرين وشركاه، لندن.
  • بلانك، م. ، (1897/1903). رسالة في الديناميكا الحرارية ، ترجمة أ. أوج، الطبعة الإنجليزية الأولى، لونجمانز، جرين وشركاه ، لندن.
  • بلانك، م. (1914). نظرية الإشعاع الحراري ، الطبعة الثانية مترجمة بواسطة م. ماسيوس، بي. بلاكيستون وابنه وشركاه، فيلادلفيا.
  • تير هار، د. ، ويرجيلاند، هـ. (1966). عناصر الديناميكا الحرارية ، دار نشر أديسون-ويسلي، ريدينغ، ماساتشوستس.
  • تيزا، ل. (1966). الديناميكا الحرارية المعممة ، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كامبريدج، ماساتشوستس.