عملية ترموديناميكية

التحولات الترموديناميكية thermodynamic processes هي تحولات في جملة أجسام مادية على تماس مع الوسط الخارجي، وناجمة عن تبادلات الطاقة بين الجملة وهذا الوسط الخارجي. ويظهر هذا التحول في تغير قيم إحدى خواص الجملة. وتوفّر دراسة مثل هذه التحولات أو سلسلة منها، إمكانية الوصول إلى افضل المردودات لأي عملية حرارية أو كيماوية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 نظرة عامة

An example of a series of thermodynamic processes which make up the Stirling cycle

يقال عن جملة إنها في حالة توازن ترموديناميكي، إذا لم تتغير قيم أي خاصة من خواصها، مع مرور الزمن. كما يقال عن جملة إنها في طور واحد، إذا كان تغير قيم خواصها مستمراً، أما إذا حدث تغير مفاجىء (أي انقطاع) في قيمة إحدى الخواص، على الأقل، فيقال عن الجملة إنها متعددة الأطوار. ومن الطبيعي أن تكون دراسة الجملة المتجانسة في طورٍ واحد أسهل من دراسة الجملة متعددة الأطوار.

 عمليات متغيرة متقارنة

 الضغط - الحجم

ولا تتغير خواص الجملة في الحالة العامة بصورة مستقلة بعضها عن بعضها الآخر، ويدل عدد الخواص المستقلة على درجة بساطة الجملة. فالجملة المكوَّنة من كمية محددة من الغاز تعد أبسط الجمل الترموديناميكية، إذ يمكن تحديد ضغط الغاز وحجمه ودرجة حرارته وكثافته. إلا أن تحديد قيمتي خاصتين فقط، كافٍ لتحديد قيم الخواص الأخرى في حالة التوازن. ونسمي كلاً من الخاصتين متحولة ترموديناميكية، وما تبقى من الخواص تكون توابع لهما. وليس هناك ما يدعو إلى تحديد خاصتين معينتين، وإنما الاختيار كيفي. لذا يمكن تمثيل حالة الجملة الغازية بمستوٍ يمثَّل على أحد محوريه المتعامدين قيم المتحول الأول وعلى المحور الآخر قيم المتحول الثاني، فتتحدد حالة الجملة بنقطةٍ في هذا المستوي، وغالباً ما يُختار حجم الغاز وضغطه لتمثيل حالة الغاز. ويزداد عدد المتحولات المستقلة عند الانتقال إلى دراسة كميةٍ من سائل أو قطعة جسم صلب أو خليط منهما، فنحتاج عندئذٍ إلى فضاء ثلاثي الأبعاد أو رباعيّها، لتحديد حالة الجملة تماماً. أما لتمثيل تحولٍ ما فإننا لا نستطيع وصفه في أكثر من ثلاثة أبعاد، وغالباً ما يمثل في مستوٍ بتثبيت بعض المتحولات ويوصف التحول باسم المتحول الثابت، فهناك مثلاً التحول متساوي الدرجة isothermal الذي تبقى فيه درجة حرارة الجملة ثابتة، ويتحقق ذلك عندما تُجعل الجملة على تماس مع منبع حراري، والتحول متساوي الضغط isobaric وذلك إذا جرى التحول في ضغط ثابت، كأن يجري تحت الضغط الجوي، والتحول متساوي الحجم isochoric حين يبقى حجم الكتلة ثابتاً في أثناء التحول. وتُميَّز التحولات الترموديناميكية بحالتيها الابتدائية والنهائية، فإذا كانت الحالة النهائية مغايرة للحالة الابتدائية سُمّي التحول مفتوحاً، أما إذا كانت الحالة النهائية هي الحالة الابتدائية نفسها فيسمى التحول تحولاً مغلقاً، ويقال عندئذٍ إن الجملة قامت بدورة مغلقة يمكن تكرارها دورياً cyclic. وقد يسمى التحول بأسماء أخرى فيسمى التحول مثلاً تحولاً كظوماً adiabatic عندما لا تتبادل الجملة مع الوسط الخارجي أي كمية من الحرارة، ويتحقق ذلك عملياً إما بإحاطة الجملة بجدران جيدة العزل الحراري وإما بإجراء التحول في مدة زمنية قصيرة لا يتاح للجملة في أثنائها تبادل حرارة مع الوسط الخارجي كالتحول في حالة انفجار مثلاً.

 درجة الحرارة - الإنتروبيا

إن جميع التحولات التي تجري في الطبيعة تلقائياً هي في الواقع تحولات لاعكوسة irreversible، إذ إن حدوثها وفق اتجاهٍ ما مفضل على حدوثها في الاتجاه المعاكس، فانتقال الحرارة يتم دائماً من الجسم الحار إلى الجسم البارد مهما كانت كمية الطاقة التي يحويها الجسم البارد مقارنةً بما يحويه الجسم الحار، وينتشر الغاز من وعاء ذي ضغط عالٍ إلى وعاء ذي ضغط منخفض مهما كان حجم كل من الوعاءين، ولا يحدث العكس في كلتا الحالتين. وأبرز التحولات الحقيقية تحويل الطاقة الميكانيكية أو العمل إلى حرارة كما في حالة الاحتكاك مثلاً، ويتم هذا التحول ببساطة في أي ممارسة يومياً وبمردود 100٪، ولا يحتاج ذلك أي ترتيب معقد من الآليات. أما العكس، أي تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية أو عمل فالمسألة أصعب، وتحتاج إلى ترتيبات ومحركات وغير ذلك، ومع هذا لا يمكن أن يبلغ المردود 100٪ أبداً.

وقد أمكن التمييز بين التحولات العكوسة المثالية واللاعكوسة الحقيقية بإدخال تابع جديد هو تابع الأنتروبية S المعرف بالعلاقة حيث dQ كمية الحرارة المتبادلة، وT درجة الحرارة المطلقة التي تم عندها التبادل. فقد وجد أن الأنتروبية لا تتغير قيمتها إذا كان التحول عكوساً، لذلك يسمى هذا التحول عادة تحولاً متساوي الأنتروبية isentropic. وتزداد الأنتروبية في حالة التحولات الحقيقية كالتحولات اللاعكوسة التي سبق وصفها، كما أمكن البرهان في التحريك الحراري على أن أفضل المحركات الحرارية مردوداً هي التي تعمل على دورة عكوسة (محرك كارنو)، ومن ثم فإنه كلما اقتربت الدورة الفعلية لأي محركٍ من الدورة المثالية العكوسة ازداد مردود المحرك.

 إمكانيات ثرموديناميكية

ويتناول التحريك الحراري (الترموديناميك) العلاقات بين قيم المتحولات في حالات التوازن، وتبقى الجملة في حالة التوازن ما لم تتغير الشروط الخارجية، ولا يتم التحول إلا عندما تتغير هذه الشروط. ولإيجاد تغيرات التوابع بين حالات التوازن بدلالة متحولات الجملة يجب ألاّ تختلف الشروط الخارجية مثيراً عن القيم التوازنية، فإذا أريد حساب العمل المصروف على ضغط غازٍ ما مثلاً وجب أن يكون الضغط الخارجي أكبر قليلاً من ضغط الغاز بل أكبر بمقدارٍ لا متناهي الصغر، كي يمكن التعبير عن هذا العمل بدلالة ضغط الغاز نفسه. وينطبق مثل ذلك على بقية الشروط الخارجية مثل درجة الحرارة وغيرها، ويسمى تحول كهذا تحولاً شبه سكوني quasi-static، تمر الجملة في أثنائه بسلسلة من الحالات التوازنية. ويعد التحول شبه السكوني صفة أولى ضرورية يجب أن تتوافر في تحول هام آخر أدى دوراً مهماً في تطور علم التحريك الحراري هو التحول العكوس reversible أو المثالي ideal وهو الذي يتحقق إذا جرى التحول بحيث إن تغيراً لا متناهي الصغر في الشروط الخارجية يسبِّب انعكاساً في اتجاه التحول يجعل الجملة تعود إلى ما كانت عليه تماماً وعلى الطريق نفسها إضافة إلى عودة الوسط الخارجي أيضاً إلى ما كان عليه. ويمكن تخيل مثل هذا التحول المثالي إذا أمكن حذف جميع أنواع الاحتكاك بما فيها المقاومة الكهربائية أو المغنطيسية أو أي منبع آخر مبدد للطاقة الميكانيكية.

 عمليات متعددة التوجه

المقالة الرئيسية: Polytropic process

 Quasistatic process

المقالة الرئيسية: Quasistatic process

 انظر أيضا

• Kalina cycle
• تحول طوري

 المراجع

• Physics for Scientists and Engineers - with Modern Physics (6th Edition), P. A. Tipler, G. Mosca, Freeman, 2008, ISBN 0 7167 8964 7
• Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), R.G. Lerner, G.L. Trigg, VHC publishers, 1991, ISBN (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1, ISBN (VHC Inc.) 0-89573-752-3
• McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), C.B. Parker, 1994, ISBN 0-07-051400-3
• Physics with Modern Applications, L.H. Greenberg, Holt-Saunders International W.B. Saunders and Co, 1978, ISBN 0-7216-4247-0
• Essential Principles of Physics, P.M. Whelan, M.J. Hodgeson, 2nd Edition, 1978, John Murray, ISBN 0 7195 3382 1
• Thermodynamics, From Concepts to Applications (2nd Edition), A. Shavit, C. Gutfinger, CRC Press (Taylor and Francis Group, USA), 2009, ISBN (13-) 978-1-4200-7368-3
• Chemical Thermodynamics, D.J.G. Ives, University Chemistry, Macdonald Technical and Scientific, 1971, ISBN 0356-03736-3
• Elements of Statistical Thermodynamics (2nd Edition), L.K. Nash, Principles of Chemistry, Addison-Wesley, 1974, ISBN 0-201-05229-6
• Statistical Physics (2nd Edition), F. Mandl, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 9-780471-91533
• عبد الله واثق شهيد، الترموديناميك التقليدي، الجزء الأول (مطبعة جامعة دمشق، دمشق 1967- 1968).
• K.S.Pitger & L.Brewer, Thermodynamics International Student Edition (Mc Graw -Hill Book Company INC 1961).