الحالة الديناميكية الحرارية

في الديناميكا الحرارية ، تُعرَّف الحالة الديناميكية الحرارية لنظام ما بأنها حالته عند لحظة زمنية محددة؛ أي أنها تُحدَّد بالكامل من خلال قيم مجموعة مناسبة من المعاملات تُعرف بمتغيرات الحالة أو معاملات الحالة أو المتغيرات الديناميكية الحرارية. بمجرد تحديد هذه المجموعة من قيم المتغيرات الديناميكية الحرارية لنظام ما، تُحدَّد قيم جميع خصائصه الديناميكية الحرارية بشكل فريد. عادةً، تُعتبر الحالة الديناميكية الحرارية، افتراضيًا، حالة توازن ديناميكي حراري . وهذا يعني أن الحالة ليست مجرد حالة النظام عند لحظة زمنية محددة، بل هي الحالة نفسها، ثابتة، على مدى فترة زمنية غير محددة.

• تمثل درجة الحرارة ( T ) متوسط ​​الطاقة الحركية للجسيمات في النظام. وهي مقياس لمدى سخونة أو برودة النظام.
• الضغط ( P ) هو القوة التي تمارسها جزيئات النظام على وحدة مساحة من جدران الحاوية.
• يشير الحجم ( V ) إلى الحيز الذي يشغله النظام.
• يحدد التركيب كمية كل مكون موجود في الأنظمة التي تحتوي على أكثر من مكون واحد (مثل المخاليط).

عندما يمر نظام ما بتغير من حالة إلى أخرى، يُقال إنه يسلك مسارًا. ويمكن وصف هذا المسار بكيفية تغير الخصائص، مثل المسارات متساوية الحرارة (درجة حرارة ثابتة) أو متساوية الضغط (ضغط ثابت).

يُرسّخ علم الديناميكا الحرارية بنيةً مفاهيميةً مثاليةً يُمكن تلخيصها في مخططٍ رسميٍّ من التعريفات والمسلمات. تُعدّ الحالات الديناميكية الحرارية من بين الأشياء أو المفاهيم الأساسية أو الأولية لهذا المخطط، والتي يُعدّ وجودها أساسيًا وحاسمًا، بدلًا من أن تكون مُشتقّةً أو مُنشأةً من مفاهيم أخرى. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

النظام الديناميكي الحراري ليس مجرد نظام فيزيائي . ^{[ 4 ]} بل هو، بشكل عام، نظام ديناميكي حراري يتكون من عدد لا نهائي من الأنظمة الفيزيائية البديلة المختلفة، لأن النظام الفيزيائي، في الغالب، يمتلك خصائص مجهرية أكثر بكثير مما هو مذكور في الوصف الديناميكي الحراري. النظام الديناميكي الحراري هو جسم عياني ، لا تُؤخذ تفاصيله المجهرية في الاعتبار صراحةً في وصفه الديناميكي الحراري. يعتمد عدد متغيرات الحالة اللازمة لتحديد الحالة الديناميكية الحرارية على النظام، ولا يُعرف دائمًا قبل التجربة؛ بل يُستنتج عادةً من الأدلة التجريبية. يكون العدد دائمًا اثنين أو أكثر؛ وعادةً لا يتجاوز اثني عشر متغيرًا. على الرغم من أن عدد متغيرات الحالة يُحدد بالتجربة، إلا أنه يبقى خيار تحديد أي منها يُستخدم لوصف مناسب؛ إذ يمكن تحديد نظام ديناميكي حراري معين من خلال عدة خيارات مختلفة لمجموعة متغيرات الحالة. عادةً ما يتم الاختيار بناءً على الجدران والمحيطات ذات الصلة بالعمليات الديناميكية الحرارية التي سيتم أخذها في الاعتبار للنظام. على سبيل المثال، إذا كان الهدف هو دراسة انتقال الحرارة في النظام، فيجب أن يكون جدار النظام منفذاً للحرارة، وأن يربط هذا الجدار النظام بجسم في المحيط له درجة حرارة ثابتة ومحددة مع مرور الوقت. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

في الديناميكا الحرارية المتوازنة، تكون مكونات النظام في حالة توازن ديناميكي حراري داخلي، مع انعدام تدفق جميع الكميات، سواء داخل النظام أو بينه وبين محيطه. بالنسبة لبلانك، فإن السمة الأساسية لحالة النظام الديناميكية الحرارية المكونة من طور واحد ، في غياب مجال قوة خارجي، هي التجانس المكاني. ^{[ 7 ]} أما في الديناميكا الحرارية غير المتوازنة ، فتتضمن مجموعة مناسبة من متغيرات الحالة المحددة بعض المتغيرات الكلية، مثل التدرج المكاني غير الصفري لدرجة الحرارة، والتي تشير إلى الانحراف عن التوازن الديناميكي الحراري. تشير متغيرات الحالة المحددة غير المتوازنة هذه إلى احتمال وجود تدفق غير صفري داخل النظام أو بينه وبين محيطه. ^{[ 8 ]}

يمكن تحديد أو وصف النظام الديناميكي الحراري بطرق مختلفة. وبشكل مباشر، يمكن تحديده من خلال مجموعة مناسبة من متغيرات الحالة. وبشكل أقل مباشرة، يمكن وصفه من خلال مجموعة مناسبة من الكميات التي تشمل متغيرات الحالة ودوال الحالة.

يُعدّ تحديد الحالة الديناميكية الحرارية لجسم ما من خلال الكميات الفيزيائية العادية القابلة للقياس المباشر هو الأساس أو الأصل. ولأغراض بسيطة، بالنسبة لجسم معين ذي تركيب كيميائي محدد، فإنّ "الحجم والضغط" يُعدّان مجموعة كافية من هذه الكميات.

إلى جانب المتغيرات الفيزيائية العادية القابلة للقياس المباشر التي تُحدد الحالة الديناميكية الحرارية للنظام، يتميز النظام بكميات إضافية تُسمى دوال الحالة ، والتي تُعرف أيضًا بمتغيرات الحالة، أو المتغيرات الديناميكية الحرارية، أو كميات الحالة، أو دوال الحالة. وتُحدد هذه الدوال بشكل فريد من خلال الحالة الديناميكية الحرارية كما تم تحديدها بواسطة متغيرات الحالة الأصلية. وهناك العديد من دوال الحالة هذه، ومن أمثلتها الطاقة الداخلية ، والمحتوى الحراري ، وطاقة هلمهولتز الحرة ، وطاقة جيبس ​​الحرة ، ودرجة الحرارة الديناميكية الحرارية ، والإنتروبيا . بالنسبة لجسم معين، ذي تركيب كيميائي معين، عندما تُحدد حالته الديناميكية الحرارية بشكل كامل من خلال ضغطه وحجمه، فإن درجة حرارته تُحدد بشكل فريد. تُعد درجة الحرارة الديناميكية الحرارية مفهومًا ديناميكيًا حراريًا بامتياز، بينما تُحدد متغيرات الحالة الأصلية القابلة للقياس المباشر من خلال القياسات الفيزيائية العادية، دون الرجوع إلى المفاهيم الديناميكية الحرارية؛ ولهذا السبب، من المفيد اعتبار درجة الحرارة الديناميكية الحرارية دالة حالة.

تُعرف عملية الانتقال من حالة ديناميكية حرارية ابتدائية معينة إلى حالة ديناميكية حرارية نهائية معينة لنظام ديناميكي حراري بالعملية الديناميكية الحرارية؛ وعادةً ما تكون هذه العملية عبارة عن انتقال للمادة أو الطاقة بين النظام والمحيط. في أي عملية ديناميكية حرارية، وبغض النظر عن الظروف الوسيطة أثناء الانتقال، فإن التغير الكلي في قيمة كل متغير من متغيرات الحالة الديناميكية الحرارية يعتمد فقط على الحالتين الابتدائية والنهائية. بالنسبة لعملية مثالية مستمرة أو شبه ساكنة، يعني هذا أن التغيرات التزايدية المتناهية الصغر في هذه المتغيرات هي تفاضلات تامة . وبشكل عام، تحدد التغيرات التزايدية خلال العملية، بالإضافة إلى الحالتين الابتدائية والنهائية، العملية المثالية بشكل كامل.

في المثال البسيط الأكثر شيوعًا، وهو الغاز المثالي ، تكون المتغيرات الديناميكية الحرارية ثلاثة من المتغيرات الأربعة التالية: كمية المادة ، والضغط ، ودرجة الحرارة ، والحجم . وبالتالي، تتراوح الحالة الديناميكية الحرارية ضمن فضاء حالة ثلاثي الأبعاد. أما المتغير المتبقي، بالإضافة إلى كميات أخرى كالطاقة الداخلية والإنتروبيا ، فيُعبَّر عنها كدوال حالة لهذه المتغيرات الثلاثة. وتخضع دوال الحالة لقيود عامة معينة، مُعبَّر عنها في قوانين الديناميكا الحرارية ، وتعتمد على خصائص المواد المكونة للنظام المحدد.

تم تطوير العديد من المخططات الديناميكية الحرارية لنمذجة التحولات بين الحالات الديناميكية الحرارية.

تتسم الأنظمة الفيزيائية الموجودة في الطبيعة بالديناميكية والتعقيد في أغلب الأحيان، ولكن في كثير من الحالات، يمكن وصف الأنظمة الفيزيائية الكبيرة بناءً على قربها من الظروف المثالية. ومن هذه الظروف المثالية حالة التوازن المستقر. تُعد هذه الحالة عنصرًا أساسيًا في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية أو ديناميكا التوازن، حيث تُسمى حالة ديناميكية حرارية. وبناءً على العديد من الملاحظات، تفترض الديناميكا الحرارية أن جميع الأنظمة المعزولة عن البيئة الخارجية ستتطور بحيث تقترب من حالات توازن مستقرة فريدة. هناك أنواع مختلفة من التوازن، تتوافق مع متغيرات فيزيائية مختلفة، ويصل النظام إلى التوازن الديناميكي الحراري عندما تتحقق شروط جميع أنواع التوازن ذات الصلة في آن واحد. وفيما يلي بعض أنواع التوازن المختلفة.

• التوازن الحراري : عندما تكون درجة الحرارة موحدة في جميع أنحاء النظام، يكون النظام في حالة توازن حراري.
• التوازن الميكانيكي : إذا لم يكن هناك تغيير في الضغط مع مرور الوقت عند كل نقطة داخل نظام معين، ولم تكن هناك حركة للمادة، فإن النظام يكون في حالة توازن ميكانيكي.
• توازن الطور : يحدث هذا عندما تصل كتلة كل طور على حدة إلى قيمة لا تتغير مع مرور الوقت.
• التوازن الكيميائي : في حالة التوازن الكيميائي، يكون التركيب الكيميائي للنظام قد استقر ولا يتغير بمرور الوقت.

• حالة الإثارة
• الحالة الأرضية
• حالة ثابتة