عملية ديناميكية حرارية

تُعرَّف العملية الدورية بدورة من عمليات النقل داخل النظام وخارجه، وتُوصَف بالكميات المنقولة في مراحلها المختلفة. وقد لا تكون أوصاف حالات النظام في هذه المراحل ذات أهمية تُذكر. فالدورة عبارة عن سلسلة من عدد قليل من العمليات الديناميكية الحرارية التي تُعيد النظام إلى حالته الأصلية بشكل متكرر لا نهائي. ولذلك، لا تُوصَف حالات النظام نفسها بالضرورة، لأن عمليات النقل هي المهمة. ويُفترض أنه إذا أمكن تكرار الدورة بلا حدود، فإنه يُمكن افتراض أن الحالات لا تتغير بشكل متكرر. وقد تكون حالة النظام خلال المراحل المختلفة أقل أهمية من الطبيعة الدقيقة للحالات المتكررة. أما إذا كانت المراحل المختلفة مثالية وشبه ساكنة، فإن الدورة تُوصَف بمسار عبر سلسلة متصلة من حالات التوازن.

تُعرَّف عملية التدفق، التي تُجرى عبر نظام ما، بأنها حالة مستقرة من التدفق داخل وخارج وعاء ذي خصائص جدارية محددة. لا تُعدّ الحالة الداخلية لمحتويات الوعاء هي الشاغل الرئيسي. أما الكميات ذات الأهمية الرئيسية فتصف حالات المواد الداخلة والخارجة، بالإضافة إلى انتقالات الحرارة والشغل والطاقة الحركية والكامنة للوعاء. تتكون حالات المواد الداخلة والخارجة من حالاتها الداخلية، وطاقاتها الحركية والكامنة كأجسام كاملة. في كثير من الأحيان، تُقدَّر الكميات التي تصف الحالات الداخلية للمواد الداخلة والخارجة على افتراض أنها أجسام في حالات توازن ديناميكي حراري داخلي. ونظرًا لإمكانية حدوث تفاعلات سريعة، قد تكون المعالجة الديناميكية الحرارية تقريبية وليست دقيقة.

يهتم الزوج المترافق للضغط والحجم بنقل الطاقة الميكانيكية كنتيجة للعمل.

• تحدث العملية متساوية الضغط عند ضغط ثابت. مثال على ذلك وجود مكبس متحرك داخل أسطوانة، بحيث يكون الضغط داخل الأسطوانة دائمًا مساويًا للضغط الجوي، على الرغم من فصلها عن الغلاف الجوي. بعبارة أخرى، يرتبط النظام ديناميكيًا ، عبر حدود متحركة، بخزان ذي ضغط ثابت.
• العملية متساوية الحجم هي عملية يبقى فيها الحجم ثابتًا، مما يجعل الشغل الميكانيكي الناتج عن النظام (شغل الضغط والحجم) صفرًا. من ناحية أخرى، يمكن بذل شغل متساوي الحجم على النظام، على سبيل المثال بواسطة عمود يدير مجدافًا دوارًا موجودًا داخل النظام. وبناءً على ذلك، بالنسبة لنظام بسيط ذي متغير تشوه واحد، فإن أي طاقة حرارية تنتقل إلى النظام خارجيًا ستُمتص كطاقة داخلية. تُعرف العملية متساوية الحجم أيضًا بالعملية متساوية القياس أو العملية متساوية الحجم . مثال على ذلك وضع علبة معدنية مغلقة مملوءة بمادة ما في النار. كتقريب أولي، لن تتمدد العلبة، والتغيير الوحيد هو اكتساب محتوياتها طاقة داخلية، يتضح ذلك من خلال زيادة درجة الحرارة والضغط. رياضيًا،${\displaystyle \delta Q=dU}$يتم عزل النظام ديناميكيًا ، بواسطة حدود صلبة، عن البيئة المحيطة.

يهتم الزوج المترافق بين درجة الحرارة والإنتروبيا بنقل الطاقة، وخاصة بالنسبة لنظام مغلق.

• تحدث العملية متساوية الحرارة عند درجة حرارة ثابتة. مثال على ذلك نظام مغلق مغمور في حمام مائي كبير ذي درجة حرارة ثابتة ومتصل به حرارياً . الطاقة التي يكتسبها النظام، من خلال الشغل المبذول عليه، تُفقد إلى الحمام المائي، بحيث تبقى درجة حرارته ثابتة.
• العملية الأديباتية هي عملية لا يحدث فيها انتقال للمادة أو الحرارة، وذلك لأن جدارًا عازلًا حراريًا يفصل النظام عن محيطه. ولكي تكون العملية طبيعية، يجب إما (أ) بذل شغل على النظام بمعدل محدود، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الداخلية للنظام؛ وبالتالي تزداد إنتروبيا النظام رغم عزله حراريًا؛ أو (ب) أن يبذل النظام شغلًا على محيطه، مما يؤدي إلى زيادة إنتروبيا المحيط، بالإضافة إلى اكتسابه طاقة من النظام.
• تُعرَّف العملية متساوية الإنتروبيا عادةً بأنها عملية مثالية شبه ساكنة قابلة للانعكاس، وهي عملية كظيمة لنقل الطاقة على شكل شغل. أما في حالة العملية ثابتة الإنتروبيا، إذا تم بذل شغل بشكل غير قابل للانعكاس، فإن نقل الحرارة يصبح ضروريًا، وبالتالي لا تكون العملية كظيمة، ويلزم وجود آلية تحكم اصطناعية دقيقة؛ ولذلك فهي ليست عملية ديناميكية حرارية طبيعية عادية.

افترضت العمليات المذكورة أعلاه أن الحدود غير منفذة للجسيمات. وإلا، فيمكننا افتراض حدود صلبة، ولكنها منفذة لنوع واحد أو أكثر من الجسيمات. وينطبق الأمر نفسه على زوج الكمون الكيميائي وعدد الجسيمات المترافق، والذي يهتم بانتقال الطاقة عبر انتقال الجسيمات.

• في عملية الجهد الكيميائي الثابت، يكون النظام متصلاً بنقل الجسيمات ، من خلال حدود نفاذة للجسيمات، بخزان ثابت μ.
• العملية المرافقة هنا هي عملية ذات عدد جسيمات ثابت. هذه هي العمليات الموضحة أعلاه. لا تُضاف طاقة إلى النظام أو تُطرح منه عبر انتقال الجسيمات. النظام معزول عن بيئته بانتقال الجسيمات بواسطة حدود غير منفذة للجسيمات، ولكنها تسمح بانتقال الطاقة على شكل شغل أو حرارة. هذه العمليات هي التي يُعرَّف بها الشغل والحرارة في الديناميكا الحرارية، ولذلك يُقال إن النظام مغلق .

لا تحدث في الطبيعة إلا العمليات الطبيعية. في الديناميكا الحرارية، تُعرَّف العملية الطبيعية بأنها انتقال بين الأنظمة يزيد من مجموع إنتروبياتها، وهي عملية غير قابلة للانعكاس. ^{[ 2 ]} قد تحدث العمليات الطبيعية تلقائيًا عند إزالة قيد ما، أو عند حدوث عملية ديناميكية حرارية أخرى ، أو قد تُحفَّز في نظام شبه مستقر أو غير مستقر، كما هو الحال في تكثيف بخار فوق مشبع. ^{[ 4 ]} أكد بلانك على حدوث الاحتكاك كخاصية مهمة للعمليات الديناميكية الحرارية الطبيعية التي تتضمن انتقال المادة أو الطاقة بين النظام والمحيط.

لوصف هندسة الأسطح البيانية التي توضح علاقات التوازن بين دوال الحالة الديناميكية الحرارية، لا يمكن تصور ما يُسمى بـ"العمليات العكوسة". إنها مجرد كائنات نظرية ملائمة ترسم مسارات عبر الأسطح البيانية. تُسمى "عمليات" لكنها لا تصف العمليات الطبيعية، التي هي دائمًا غير عكوسة. ولأن النقاط على المسارات هي نقاط توازن ديناميكي حراري، فمن المعتاد اعتبار "العمليات" التي تصفها المسارات "عكوسة" افتراضيًا. ^{[ 2 ]} العمليات العكوسة هي دائمًا عمليات شبه ساكنة، لكن العكس ليس صحيحًا دائمًا.

العمليات غير الطبيعية قابلة للتصور منطقياً، لكنها لا تحدث في الطبيعة. ولو حدثت، لكانت ستؤدي إلى انخفاض مجموع الإنتروبيا. ^{[ 2 ]}

العملية شبه الساكنة هي نموذج مثالي أو افتراضي لعملية ديناميكية حرارية، تُدرس في الدراسات النظرية. وهي لا تحدث في الواقع المادي. ويمكن تصورها على أنها تحدث ببطء شديد بحيث يمر النظام عبر سلسلة متصلة من الحالات التي تقترب بشكل متناهي الصغر من حالة التوازن .