النظام الديناميكي الحراري

النظام الديناميكي الحراري هو جسم من المادة و/أو الإشعاع منفصل عن محيطه ويمكن دراسته باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية .

يمكن تصنيف الأنظمة الديناميكية الحرارية إلى أنظمة سلبية وأخرى نشطة وفقًا للعمليات الداخلية. وبناءً على هذه العمليات، تُصنّف الأنظمة إلى سلبية ونشطة: فالأنظمة السلبية تشهد إعادة توزيع للطاقة المتاحة، بينما تشهد الأنظمة النشطة تحويل نوع من الطاقة إلى نوع آخر.

بحسب تفاعله مع البيئة، قد يكون النظام الديناميكي الحراري نظامًا معزولًا ، أو نظامًا مغلقًا ، أو نظامًا مفتوحًا . النظام المعزول لا يتبادل المادة أو الطاقة مع محيطه. النظام المغلق قد يتبادل الحرارة، ويتعرض للقوى، ويؤثر بها، ولكنه لا يتبادل المادة. أما النظام المفتوح فيمكنه التفاعل مع محيطه من خلال تبادل المادة والطاقة.

تُوصَف الحالة الفيزيائية لنظام ديناميكي حراري في لحظة معينة بحالته ، والتي يمكن تحديدها بقيم مجموعة من متغيرات الحالة الديناميكية الحرارية. يكون النظام الديناميكي الحراري في حالة توازن ديناميكي حراري عندما لا توجد تدفقات ظاهرة للمادة أو الطاقة داخله أو بينه وبين أنظمة أخرى. ^{[ 1 ]}

لا يتميز التوازن الديناميكي الحراري فقط بانعدام أي تدفق للكتلة أو الطاقة ، ولكن أيضًا بـ "انعدام أي ميل نحو التغيير على نطاق واسع". ^{[ 2 ]}

يدرس علم الديناميكا الحرارية التوازنية، كفرع من فروع الفيزياء، الأجسام المادية والطاقة العيانية في حالات التوازن الديناميكي الحراري الداخلي. ويستخدم مفهوم العمليات الديناميكية الحرارية ، التي تنتقل من خلالها الأجسام من حالة توازن إلى أخرى عبر انتقال المادة والطاقة بينها. ويُستخدم مصطلح "النظام الديناميكي الحراري" للإشارة إلى الأجسام المادية والطاقة في سياق الديناميكا الحرارية. وتُحدد حالات التوازن الممكنة بين الأجسام بالخصائص الفيزيائية للجدران الفاصلة بينها. ولا يقيس علم الديناميكا الحرارية التوازنية الزمن بشكل عام. وهو فرع بسيط ومستقر نسبيًا، ويعود أحد أسباب ذلك إلى وجود كمية فيزيائية محددة جيدًا تُسمى "إنتروبيا الجسم".

يدرس علم الديناميكا الحرارية غير المتوازنة ، كفرع من فروع الفيزياء، أجسام المادة والطاقة التي لا تكون في حالة توازن ديناميكي حراري داخلي، ولكنها عادةً ما تشارك في عمليات نقل بطيئة بما يكفي لوصفها بدلالة كميات ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمتغيرات الحالة الديناميكية الحرارية . ويتميز هذا العلم بوجود تدفقات للمادة والطاقة. وفي هذا السياق، غالبًا ما تتميز الأجسام المدروسة بعدم تجانس مكاني سلس، بحيث تكون التدرجات المكانية، كتدرج درجة الحرارة على سبيل المثال، محددة بدقة كافية. وبالتالي، فإن وصف الأنظمة الديناميكية الحرارية غير المتوازنة هو نظرية مجال، أكثر تعقيدًا من نظرية الديناميكا الحرارية المتوازنة. ولا يزال علم الديناميكا الحرارية غير المتوازنة مجالًا متناميًا، وليس مجالًا راسخًا. ومن الأمثلة على النظريات ونماذجها: الصيغة العامة للسوائل المعقدة، والمرونة اللزجة، والمواد اللينة. وبشكل عام، لا يمكن إيجاد تعريف دقيق للإنتروبيا في مسائل عدم التوازن. في العديد من مسائل الديناميكا الحرارية غير المتوازنة، تُعدّ كمية مُعرّفة تقريبًا تُسمى "معدل إنتاج الإنتروبيا مع الزمن" مفيدة للغاية. لكن الديناميكا الحرارية غير المتوازنة تتجاوز في معظمها نطاق هذه المقالة.

يُؤخذ نوع آخر من الأنظمة الديناميكية الحرارية في الاعتبار في معظم التطبيقات الهندسية، وهو النظام الذي يشارك في عملية تدفق. ويتم شرحه بمصطلحات تُقارب، وبشكل كافٍ عمليًا في كثير من الحالات، مفاهيم التوازن الديناميكي الحراري. وهذا الأمر خارج نطاق هذه المقالة، وقد تم تناوله في مقالات أخرى، مثل مقالة " عملية التدفق" .

نشأ تصنيف الأنظمة الديناميكية الحرارية مع تطور الديناميكا الحرارية كعلم.

لقد انصبت الدراسات النظرية للعمليات الديناميكية الحرارية في الفترة الممتدة من النظرية الأولى للمحركات الحرارية (سادي كارنو، فرنسا، 1824) إلى نظرية الهياكل المبددة (إيليا بريغوجين، بلجيكا، 1971) بشكل رئيسي على أنماط تفاعل الأنظمة الديناميكية الحرارية مع البيئة.

في الوقت نفسه، تم تصنيف الأنظمة الديناميكية الحرارية بشكل رئيسي على أنها معزولة ومغلقة ومفتوحة، مع خصائص مقابلة في حالات ديناميكية حرارية مختلفة، على سبيل المثال، في حالات قريبة من التوازن، وعدم التوازن، وعدم التوازن الشديد.

في عام 2010، اقترح بوريس دوبروبورسكي (إسرائيل، روسيا) تصنيفًا للأنظمة الديناميكية الحرارية وفقًا للعمليات الداخلية التي تتكون من إعادة توزيع الطاقة (الأنظمة السلبية) وتحويل الطاقة (الأنظمة النشطة).

إذا وُجد فرق في درجة الحرارة داخل النظام الديناميكي الحراري، كما في قضيب مثلاً، حيث يكون أحد طرفيه أكثر سخونة من الآخر، فإن عمليات انتقال الطاقة الحرارية تحدث فيه، فترتفع درجة حرارة الجزء الأبرد وتنخفض درجة حرارة الجزء الأكثر سخونة. ونتيجة لذلك، وبعد فترة من الزمن، تتساوى درجة الحرارة في القضيب، أي يصل القضيب إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري.

إذا حدثت عملية تحويل نوع من الطاقة إلى نوع آخر داخل نظام ديناميكي حراري، على سبيل المثال، في التفاعلات الكيميائية، أو في المحركات الكهربائية أو الهوائية، عندما يحتك جسم صلب بآخر، فإن عمليات إطلاق الطاقة أو امتصاصها ستحدث، وسيميل النظام الديناميكي الحراري دائمًا إلى حالة عدم توازن بالنسبة للبيئة المحيطة.

في الأنظمة المعزولة، يُلاحظ باستمرار أنه مع مرور الوقت، تتضاءل عمليات إعادة الترتيب الداخلية، ويتم الاقتراب من ظروف مستقرة. تميل الضغوط ودرجات الحرارة إلى التساوي، وتنتظم المادة في طور واحد أو بضعة أطوار متجانسة نسبيًا . يُعتبر النظام الذي اكتملت فيه جميع عمليات التغيير عمليًا في حالة توازن ديناميكي حراري . ^{[ 3 ]} تبقى الخصائص الديناميكية الحرارية لنظام متوازن ثابتة مع مرور الوقت. من الأسهل بكثير وصف حالات النظام المتوازن بطريقة حتمية من وصف حالات النظام غير المتوازن. في بعض الحالات، عند تحليل عملية ديناميكية حرارية ، يمكن افتراض أن كل حالة وسيطة في العملية في حالة توازن. تُسمى هذه العملية شبه ساكنة. ^{[ 4 ]}

لكي تكون العملية قابلة للانعكاس ، يجب أن تكون كل خطوة فيها قابلة للانعكاس. ولكي تكون خطوة في العملية قابلة للانعكاس، يجب أن يكون النظام في حالة توازن طوال تلك الخطوة. لا يمكن تحقيق هذا الوضع المثالي عمليًا لأنه لا يمكن اتخاذ أي خطوة دون إحداث اضطراب في النظام عن حالة التوازن، ولكن يمكن الاقتراب من هذا الوضع المثالي بإجراء التغييرات تدريجيًا.

إن وجود التوازن الديناميكي الحراري، الذي يُحدد حالات الأنظمة الديناميكية الحرارية، هو الفرضية الأساسية والمميزة والأكثر جوهرية في الديناميكا الحرارية، على الرغم من أنه نادرًا ما يُذكر كقانون مُرقم. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} ووفقًا لبيلين، فإن البيان الشائع للقانون الصفري للديناميكا الحرارية هو نتيجة لهذه الفرضية الأساسية. ^{[ 8 ]} في الواقع، لا يوجد شيء تقريبًا في الطبيعة في حالة توازن ديناميكي حراري دقيق، لكن فرضية التوازن الديناميكي الحراري غالبًا ما تُقدم تبسيطات أو تقريبات مثالية مفيدة للغاية، نظريًا وتجريبيًا؛ إذ يُمكن للتجارب أن تُقدم سيناريوهات للتوازن الديناميكي الحراري العملي.

في الديناميكا الحرارية المتوازنة، لا تتضمن متغيرات الحالة التدفقات، لأن جميع التدفقات في حالة التوازن الديناميكي الحراري تساوي صفرًا بحكم التعريف. قد تتضمن العمليات الديناميكية الحرارية المتوازنة تدفقات، ولكن يجب أن تتوقف هذه التدفقات عند اكتمال العملية الديناميكية الحرارية، مما يؤدي إلى وصول النظام إلى حالته الديناميكية الحرارية النهائية. أما الديناميكا الحرارية غير المتوازنة، فتسمح لمتغيرات حالتها بتضمين تدفقات غير صفرية، والتي تصف انتقالات الكتلة أو الطاقة أو الإنتروبيا بين النظام ومحيطه. ^{[ 9 ]}

أنواع التحويلات المسموح بها

حسب أنواع الجدران ^{[ 10 ]}

نوع الجدار	نوع التحويل
	موضوع	عمل	حرارة
منفذ للطاقة ولكن غير منفذ للمادة	شمال	Y	Y
كظومي	شمال	Y	شمال
غير ديناميكي و غير منفذ للمادة	شمال	شمال	Y
العزل	شمال	شمال	شمال

يتطلب الأساس المفاهيمي للديناميكا الحرارية وجود نوع من الجدران: فعنصر صغير الحجم من وسط متصل يخضع لتغير ديناميكي حراري سيتبادل الطاقة والمادة مع العناصر المجاورة، مما يستلزم تحليلًا متزامنًا للتوصيل الحراري والتحليل الهيدروديناميكي. ^{[ 11 ]} يُحاط النظام بجدران تحدّه وتربطه بمحيطه. الجدار هو حدٌّ يقيد انتقال بعض أو كل أشكال المادة أو الطاقة. ^{[ 12 ]} الجدار الموصل حراريًا يقيد تدفق المادة، لكنه لا يقيد تدفق الحرارة. ^{[ 13 ]} يُسمى الجدار الموصل حراريًا بالجدار ثنائي الحرارة ، وإلا يُسمى بالجدار الأديباتي . ^{[ 14 ]}

يمكن أن يكون الجدار ثابتًا (مثل مفاعل ذي حجم ثابت) أو متحركًا (مثل مكبس). على سبيل المثال، في محرك ترددي، يعني الجدار الثابت أن المكبس مُثبّت في موضعه، وبالتالي يمكن أن تحدث عملية ذات حجم ثابت. في المحرك نفسه، يمكن تحرير المكبس والسماح له بالتحرك للداخل والخارج. من الناحية المثالية، يمكن تصنيف الجدار على أنه عازل حراريًا ، أو غير عازل حراريًا ، أو غير منفذ، أو منفذ، أو شبه منفذ . لكن المواد الفيزيائية الفعلية التي توفر للجدران هذه الخصائص المثالية ليست متوفرة دائمًا بسهولة.

يُحدَّد النظام بجدران أو حدود، سواء كانت حقيقية أو افتراضية، تسمح بمرور كميات محفوظة (مثل المادة والطاقة) أو غير محفوظة (مثل الإنتروبيا) من وإلى النظام. يُعرف الفضاء خارج النظام الديناميكي الحراري بالمحيط أو الخزان أو البيئة . وتُحدد خصائص الجدران أنواع الانتقالات الممكنة. يُقال إن الجدار الذي يسمح بانتقال كمية ما نفاذٌ لها، ويُصنَّف النظام الديناميكي الحراري وفقًا لنفاذية جدرانه المختلفة. يمكن أن يحدث الانتقال بين النظام والمحيط عن طريق التلامس، مثل توصيل الحرارة، أو عن طريق قوى بعيدة المدى، مثل المجال الكهربائي في المحيط.

يُقال عن النظام ذي الجدران التي تمنع جميع عمليات النقل أنه نظام معزول . هذا مفهوم مثالي، لأنه في الواقع العملي، يكون بعض النقل ممكنًا دائمًا، على سبيل المثال بفعل قوى الجاذبية. ومن بديهيات الديناميكا الحرارية أن النظام المعزول يصل في النهاية إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري الداخلي ، عندما لا تتغير حالته مع مرور الوقت.

تسمح جدران النظام المغلق بانتقال الطاقة على شكل حرارة وشغل، ولكن ليس انتقال المادة، بينه وبين محيطه. أما جدران النظام المفتوح فتسمح بانتقال كلٍّ من المادة والطاقة. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} لا يُستخدم هذا التصنيف للمصطلحات بشكل موحد، على الرغم من ملاءمته لبعض الأغراض. فعلى وجه الخصوص، يستخدم بعض الكتّاب مصطلح "النظام المغلق" حيث يُستخدم مصطلح "النظام المعزول" هنا. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

أي شيء يعبر الحدود ويؤثر على محتويات النظام يجب أخذه في الحسبان في معادلة توازن مناسبة. يمكن أن يكون الحجم هو المنطقة المحيطة بذرة واحدة ذات طاقة رنانة، كما حددها ماكس بلانك عام 1900؛ أو يمكن أن يكون كتلة من البخار أو الهواء في محرك بخاري ، كما حددها سادي كارنو عام 1824. وقد يكون أيضًا مجرد نواة واحدة (أي نظام من الكواركات ) كما هو مفترض في الديناميكا الحرارية الكمومية .

النظام هو الجزء من الكون قيد الدراسة، بينما المحيط هو الجزء المتبقي من الكون الذي يقع خارج حدود النظام. يُعرف أيضًا بالبيئة أو الخزان . وبحسب نوع النظام، قد يتفاعل المحيط مع النظام من خلال تبادل الكتلة، أو الطاقة (بما في ذلك الحرارة والشغل)، أو الزخم ، أو الشحنة الكهربائية ، أو غيرها من الخصائص المحفوظة . تُهمل البيئة في تحليل النظام، باستثناء ما يتعلق بهذه التفاعلات.

في نظام مغلق، لا يمكن نقل أي كتلة من أو إلى حدود النظام. يحتوي النظام دائمًا على نفس كمية المادة، ولكن يمكن تبادل الحرارة (المحسوسة) والشغل (الحدودي) عبر حدود النظام. يعتمد تبادل الحرارة أو الشغل أو كليهما في النظام على خصائص حدوده.

• الحدود الأديباتية – التي لا تسمح بأي تبادل حراري: نظام معزول حرارياً
• حدود جامدة – لا تسمح بتبادل العمل: نظام معزول ميكانيكياً

من الأمثلة على ذلك ضغط سائل بواسطة مكبس داخل أسطوانة. ومن الأمثلة الأخرى على الأنظمة المغلقة مسعر القنبلة ، وهو نوع من المسعرات الحرارية ذات الحجم الثابت يُستخدم لقياس حرارة احتراق تفاعل معين. تنتقل الطاقة الكهربائية عبر الحد الفاصل لتوليد شرارة بين الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى بدء الاحتراق. يحدث انتقال للحرارة عبر الحد الفاصل بعد الاحتراق، ولكن لا يحدث انتقال للكتلة في أي من الاتجاهين.

يمكن صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية لانتقال الطاقة في الأنظمة المغلقة على النحو التالي:

${\displaystyle \Delta U=QW}$

أين${\displaystyle U}$يرمز إلى الطاقة الداخلية للنظام،${\displaystyle Q}$الحرارة المضافة إلى النظام،${\displaystyle W}$العمل الذي يقوم به النظام. بالنسبة للتغيرات المتناهية الصغر، يمكن صياغة القانون الأول للأنظمة المغلقة على النحو التالي:

${\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W.}$

إذا كان العمل ناتجًا عن تمدد الحجم بواسطة${\displaystyle \mathrm {d} V}$تحت ضغط${\displaystyle P}$ثم:

${\displaystyle \delta W=P\mathrm {d} V.}$

بالنسبة لانتقال الحرارة شبه العكوس، ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على ما يلي:

${\displaystyle \delta Q=T\mathrm {d} S}$

أين${\displaystyle T}$يشير إلى درجة الحرارة الديناميكية الحرارية و${\displaystyle S}$إنتروبيا النظام. وباستخدام هذه العلاقات، تُعبّر العلاقة الديناميكية الحرارية الأساسية ، المستخدمة لحساب التغيرات في الطاقة الداخلية، على النحو التالي:

${\displaystyle \mathrm {d} U=T\mathrm {d} SP\mathrm {d} V.}$

في نظام بسيط، يتكون من نوع واحد فقط من الجسيمات (ذرة أو جزيء)، يُعتبر النظام مغلقًا نظرًا لوجود عدد ثابت من الجسيمات. أما في الأنظمة التي تخضع لتفاعل كيميائي ، فقد تتولد وتتحلل أنواع مختلفة من الجزيئات خلال عملية التفاعل. في هذه الحالة، يُعبّر عن كون النظام مغلقًا بالقول إن العدد الإجمالي لكل ذرة عنصرية يبقى ثابتًا، بغض النظر عن نوع الجزيء الذي تنتمي إليه. رياضيًا:

${\displaystyle \sum _{j=1}^{m}a_{ij}N_{j}=b_{i}^{0}}$

أين${\displaystyle N_{j}}$يشير إلى عدد${\displaystyle j}$جزيئات من النوع - ${\displaystyle a_{ij}}$عدد ذرات العنصر${\displaystyle i}$في الجزيء${\displaystyle j}$، و ${\displaystyle b_{i}^{0}}$العدد الإجمالي لذرات العنصر ${\displaystyle i}$في النظام، الذي يظل ثابتًا، لأن النظام مغلق. توجد معادلة واحدة من هذا القبيل لكل عنصر في النظام.

يُعدّ النظام المعزول أكثر تقييدًا من النظام المغلق، إذ لا يتفاعل مع محيطه بأي شكل من الأشكال. تبقى الكتلة والطاقة ثابتة داخل النظام، ولا يحدث أي انتقال للطاقة أو الكتلة عبر حدوده. مع مرور الوقت في النظام المعزول، تميل الفروقات الداخلية فيه إلى التلاشي، وتميل الضغوط ودرجات الحرارة إلى التساوي، وكذلك فروق الكثافة. يكون النظام الذي اكتملت فيه جميع عمليات التساوي عمليًا في حالة توازن ديناميكي حراري .

لا توجد أنظمة فيزيائية معزولة تمامًا في الواقع (باستثناء الكون ككل ربما)، لأنه، على سبيل المثال، توجد دائمًا جاذبية بين نظام ذي كتلة وكتل أخرى في مكان ما. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} ومع ذلك، قد تتصرف الأنظمة الحقيقية تقريبًا كنظام معزول لفترات زمنية محدودة (ربما طويلة جدًا). ​​يمكن أن يكون مفهوم النظام المعزول نموذجًا مفيدًا لتقريب العديد من المواقف في العالم الحقيقي. وهو تبسيط مقبول يُستخدم في بناء نماذج رياضية لبعض الظواهر الطبيعية .

في محاولة لتبرير فرضية زيادة الإنتروبيا في القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، استخدمت نظرية بولتزمان H معادلات تفترض أن النظام (مثل الغاز ) معزول. أي أنه يمكن تحديد جميع درجات الحرية الميكانيكية، مع اعتبار الجدران ببساطة شروطًا حدودية معكوسة . وقد أدى هذا حتمًا إلى مفارقة لوشميدت . مع ذلك، إذا أُخذ السلوك العشوائي للجزيئات في الجدران الفعلية بعين الاعتبار، إلى جانب التأثير العشوائي للإشعاع الحراري المحيط ، يمكن تبرير افتراض بولتزمان للفوضى الجزيئية .

ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية للأنظمة المعزولة على أن إنتروبيا النظام المعزول غير المتوازن تميل إلى الزيادة بمرور الوقت، مقتربةً من قيمتها القصوى عند التوازن. عمومًا، في النظام المعزول، تكون الطاقة الداخلية ثابتة ولا يمكن أن تنخفض الإنتروبيا أبدًا. أما إنتروبيا النظام المغلق ، فيمكن أن تنخفض، على سبيل المثال، عند سحب الحرارة منه.

لا تُعادل الأنظمة المعزولة الأنظمة المغلقة. فالأنظمة المغلقة لا تستطيع تبادل المادة مع محيطها، ولكنها تستطيع تبادل الطاقة. أما الأنظمة المعزولة فلا تستطيع تبادل المادة أو الطاقة مع محيطها، ولذلك فهي نظرية فقط ولا وجود لها في الواقع (باستثناء، ربما، الكون بأكمله).

يُستخدم مصطلح "النظام المغلق" غالبًا في مناقشات الديناميكا الحرارية عندما يكون مصطلح "النظام المعزول" هو الصحيح - أي أن هناك افتراضًا بأن الطاقة لا تدخل النظام أو تخرج منه.

بالنسبة للعملية الديناميكية الحرارية، تعتبر الخصائص الفيزيائية الدقيقة لجدران ومحيط النظام مهمة، لأنها تحدد العمليات الممكنة.

يحتوي النظام المفتوح على جدار واحد أو عدة جدران تسمح بانتقال المادة. ولحساب الطاقة الداخلية للنظام المفتوح، يتطلب ذلك استخدام مصطلحات انتقال الطاقة بالإضافة إلى مصطلحات الحرارة والشغل. ويؤدي هذا أيضًا إلى مفهوم الكمون الكيميائي .

يمكن لجدار ذي نفاذية انتقائية لمادة نقية فقط أن يضع النظام في اتصال انتشاري مع خزان لتلك المادة النقية في المحيط. عندئذٍ، تصبح عملية انتقال تلك المادة النقية بين النظام والمحيط ممكنة. كما يمكن تحقيق توازن تلامسي عبر ذلك الجدار بالنسبة لتلك المادة. وباستخدام عمليات ديناميكية حرارية مناسبة ، يمكن التعامل مع خزان المادة النقية كنظام مغلق. ويمكن تحديد طاقته الداخلية وإنتروبياه كدوال لدرجة حرارته وضغطه وعدد مولاته.

يمكن لعملية ديناميكية حرارية أن تجعل جميع جدران النظام، باستثناء جدار التوازن التلامسي لتلك المادة، غير منفذة للمادة. وهذا يسمح بتعريف متغير حالة مكثف، بالنسبة لحالة مرجعية للمحيط، لتلك المادة. يُسمى المتغير المكثف بالجهد الكيميائي؛ وبالنسبة للمادة المكونة i، يُرمز له عادةً بـ μ _{i . أما المتغير الشامل المقابل ،} فيمكن أن يكون عدد مولات المادة المكونة Ni في النظام.

لتحقيق توازن تلامسي عبر جدار نفاذ لمادة ما، يجب أن تكون الجهود الكيميائية للمادة متساوية على جانبي الجدار. هذا جزء من طبيعة التوازن الديناميكي الحراري، ويمكن اعتباره مرتبطًا بالقانون الصفري للديناميكا الحرارية. ^{[ 29 ]}

في النظام المفتوح، يحدث تبادل للطاقة والمادة بين النظام والمحيط. وجود المواد المتفاعلة في كأس مفتوح مثال على النظام المفتوح. هنا، يمثل الحد سطحًا وهميًا يحيط بالكأس والمواد المتفاعلة. يُسمى النظام مغلقًا إذا كانت حدوده غير قابلة للاختراق بالنسبة للمواد، ولكنها تسمح بمرور الطاقة على شكل حرارة، ومعزولًا إذا لم يكن هناك تبادل للحرارة والمواد. لا يمكن للنظام المفتوح أن يوجد في حالة اتزان. لوصف انحراف النظام الديناميكي الحراري عن حالة الاتزان، بالإضافة إلى المتغيرات المكونة التي تم وصفها أعلاه، تُستخدم مجموعة من المتغيرات الداخلية.${\displaystyle \xi _{1},\xi _{2},\ldots }$ تم إدخالها. تُعتبر حالة التوازن مستقرة، والخاصية الرئيسية للمتغيرات الداخلية، كمؤشرات على عدم توازن النظام، هي ميلها إلى التلاشي؛ ويمكن كتابة قانون التلاشي المحلي كمعادلة استرخاء لكل متغير داخلي.

${\displaystyle {\frac {d\xi _{i}}{dt}}=-{\frac {1}{\tau _{i}}}\,\left(\xi _{i}-\xi _{i}^{(0)}\right),\quad i=1,\,2,\ldots ,}$

1

أين${\displaystyle \tau _{i}=\tau _{i}(T,x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})}$ يمثل زمن استرخاء لمتغير معين. من الملائم النظر إلى القيمة الأولية.${\displaystyle \xi _{i}^{0}}$ يساوي صفرًا.

قدّم إيليا بريغوجين إسهامًا بارزًا في الديناميكا الحرارية للأنظمة المفتوحة غير المتوازنة ، حيث درس نظامًا من المواد المتفاعلة كيميائيًا. ^{[ 30 ]} في هذه الحالة، تبدو المتغيرات الداخلية بمثابة مقاييس لعدم اكتمال التفاعلات الكيميائية، أي مقاييس لمدى ابتعاد النظام المدروس عن حالة التوازن. ويمكن تعميم هذه النظرية ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} لتشمل أي انحرافات عن حالة التوازن، مثل بنية النظام، وتدرجات درجة الحرارة، واختلاف تركيزات المواد، وما إلى ذلك، فضلًا عن درجات اكتمال جميع التفاعلات الكيميائية، باعتبارها متغيرات داخلية.

زيادات طاقة جيبس ​​الحرة${\displaystyle G}$ والإنتروبيا​${\displaystyle S}$ في${\displaystyle T={\text{const}}}$و${\displaystyle p={\text{const}}}$يتم تحديدها على النحو التالي

${\displaystyle dG=\sum _{j}\,\Xi _{j}\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha }\,\mu _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha },}$

2

${\displaystyle T\,dS=\Delta Q-\sum _{j}\,\Xi _{j}\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha =1}^{k}\,\eta _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha }.}$

3

توجد حالات الاستقرار للنظام نتيجة لتبادل الطاقة الحرارية (${\displaystyle \Delta Q_{\alpha }}$) وتدفق من الجسيمات . يمثل مجموع الحدود الأخيرة في المعادلات إجمالي الطاقة الداخلة إلى النظام مع تدفق جسيمات المواد ${\displaystyle \Delta N_{\alpha }}$ قد تكون موجبة أو سالبة؛ الكمية${\displaystyle \mu _{\alpha }}$ هو الجهد الكيميائي للمادة${\displaystyle \alpha }$تمثل الحدود الوسطى في المعادلتين (2) و(3) تبديد الطاقة ( إنتاج الإنتروبيا ) الناتج عن استرخاء المتغيرات الداخلية.${\displaystyle \xi _{j}}$، بينما${\displaystyle \Xi _{j}}$هي قوى ديناميكية حرارية.

يُتيح هذا النهج في التعامل مع النظام المفتوح وصف نمو وتطور الكائنات الحية من منظور الديناميكا الحرارية. ^{[ 34 ]}

• النظام الديناميكي
• نظام الطاقة
• نظام معزول
• النظام الميكانيكي
• النظام الفيزيائي
• الأنظمة الكمومية
• دورة الديناميكا الحرارية
• عملية ديناميكية حرارية
• نظام كمي ثنائي الحالة
• الشكلية العامة

• أبوت، إم إم؛ فان هيس، إتش جي (1989). الديناميكا الحرارية مع التطبيقات الكيميائية (الطبعة الثانية  ). ماكجرو هيل.
• بايلين، م. (1994). مسح للديناميكا الحرارية . نيويورك: مطبعة المعهد الأمريكي للفيزياء. ISBN 0-88318-797-3.
• كالين، إتش بي (1985) [1960]. الديناميكا الحرارية ومقدمة في الإحصاء الحراري (  الطبعة الثانية). نيويورك: وايلي. ISBN 0-471-86256-8.
• كارنوت، سعدي (1824). انعكاسات حول القوة المحركة للحرق وعلى الآلات الخاصة بتطوير هذه القدرة (باللغة الفرنسية). باريس: باشيلير.
• هاس، ر. (1971). "مسح للقوانين الأساسية". في: إيرينغ، هـ؛ هندرسون، د؛ جوست، و. (محررون). الديناميكا الحرارية . الكيمياء الفيزيائية: دراسة متقدمة. المجلد  1. نيويورك: أكاديميك برس. الصفحات 1-97 . LCCN 73-117081 .  
• دوبروبورسكي، ب.س. سلامة الآلات والعامل البشري / حرره دكتور العلوم التقنية، البروفيسور س.أ. فولكوف. — سانت بطرسبرغ: جامعة سانت بطرسبرغ الحكومية للآلات، 2011. — الصفحات  33-35. — 114 صفحة. — ISBN 978-5-9227-0276-8(الروسية)
• هاليداي، ديفيد؛ ريسنيك، روبرت؛ ووكر، جيرل (2008). أساسيات الفيزياء (  الطبعة الثامنة). وايلي.
• موران، مايكل جيه؛ شابيرو، هوارد إن. (2008). أساسيات الديناميكا الحرارية الهندسية (  الطبعة السادسة). وايلي.
• ريكس، أندرو؛ فين، سي بي بي (2017). فيزياء فين الحرارية (  الطبعة الثالثة). تايلور وفرانسيس. رقم ISBN 978-1-498-71887-5.
• تيسا، لازلو (1966). الديناميكا الحرارية المعممة . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
• تشويغل، ن. و. (2000). أساسيات الديناميكا الحرارية للتوازن والحالة المستقرة . أمستردام: إلسيفير. ISBN 0-444-50426-5.