«الديناميكا الحرارية Thermodynamics» كلمة لاتينية وهي تعني علم القوى المصاحب للحرارة؛ وهي ترتكز على قانونين أساسيين وهما القانونا الأول والثاني للديناميكا الحرارية.
في البداية قبل أي شيء يجب أن نتعرف على تاريخ الديناميكا الحرارية؛ وتبدأ قصتها في عام 1865 حيث أشار العالم رادولف كلاوزيوس (Rudolf Clausius) في نظريته الميكانيكية للحرارة، أن مباديء الكيمياء الحرارية ( على سبيل المثال الحرارة الناشئة في تفاعلات الاحتراق) يمكن تطبيقها على مباديء الديناميكا الحرارية. ما بين عامي 1873 و 1876 وبناءًا على اقتراح كلاوزيوس، نشر العالم « ويلارد جيبس- Willard Gibbs» سلسلة تتكون من ثلاث أوراق علمية، أشهرهم كانت عن اتزان المواد غير المتجانسة. عرض جيبس في هذه الأوراق كيف أن القانون الأول للديناميكا الحرارية يمكنه أن يقيس بيانيًا ويحسب رياضيًا كلا من الإتزان الديناميكي للتفاعلات الكيميائية وميولها للحدوث.
من خلال الديناميكا الحرارية، سنتعرف على انتقال الطاقة أثناء التغيرات الكيميائية والفيزيائية، وكيف يمكننا التنبؤ بنوعية التغيرات التي سوف تحدث. تُبنى الديناميكا الحرارية بشكل أساسي على المفاهيم الآتية: الحرارة والشغل والطاقة والمحتوى الحراري والعشوائية والطاقة الحرة لجيبس (Gibbs free energy)، وهي نفس المفاهيم التي تقوم عليها قوانين الديناميكا الحرارية.
حسنًا، قبل أن نتعرف تفصيلًا على كل مفهوم على حِدى، سنتعرف معًا على قوانين الديناميكا الحرارية الكيميائية. للديناميكا الحرارية قانونين: الأول ينص على أن الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث من العدم. أما القانون الثاني للديناميكا الحرارية فينص على أنه في النظام المعزول تتزايد العشوائية أو «الإنتروبيا Entropy« – وهي درجة التعادل الحراري- مع مرور الوقت. وأخيرًا القانون الثالث للديناميكا الحرارية ينص على أنه عندما يقترب نظام من درجة حرارة الصفر المطلق فإن إنتروبيا النظام تقترب من أو تساوي صفر.
سننتقل الآن للتعرف على المفاهيم الأساسية التي تقوم عليها الديناميكا الحرارية الكيميائية، أولًا الحرارة والشغل: كلا من الحرارة-يقصد بها هنا الكمية أو الطاقة الحرارية وليست درجة الحرارة- والشغل يُعَدّوا أشكالًا للطاقة، هما أيضًا مرتبطين ببعضهما البعض حيث يمكن تحويل كلًا منهما للأخر. الطاقة الحرارية (مثل بخار المحركات) يمكن استخدامها لبذل الشغل (مثل دفع قطار إلى الطريق). الشغل يمكن أن يتحول إلى حرارة، كأنك تحك يديك ببعضهما لتولد إليهم الدفء. لكلًا من الحرارة والشغل نفس الوحدة وأحيانًا تكون هذه الوحدة هي السعر الحراري، والسعر الحراري يُشير إلى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام من الماء درجة مئوية، يمكن أيضًا استخدام وحدات النظام الدولي كالجول، حيث أن السعر الحراري يكافيء 4.187 جول. هناك أيضًا الحرارة النوعية التي تشير إلى كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام من المادة درجة مئوية. من أمثلة الحرارة أيضًا، حرارة الإحتراق وحرارة التبخير، فحرارة الإحتراق هي الحرارة اللازمة لتحويل جرام من المادة الصلبة إلى الحالة السائلة، بينما حرارة التبخير هي الحرارة التي يجب امتصاصها لكي تتحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.
ثانيًا الطاقة، مبدئيًا الطاقة هي القدرة على بذل شغل، وطبقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، فإن الطاقة لا تُفنى ولا تستحدث ولكن تتحول من صورة إلى أخرى. سنتطرق إلى مفهوم أكثر أهمية وهو الطاقة الداخلية، الطاقة الداخلية إحدى خصائص الديناميكا الحرارية نرمز لها بالرمز U وهي الطاقة المختزنة في المادة، تتناسب الطاقة الداخلية للنظام طرديًا مع درجة حرارته.
ثالثًا المحتوى الحراري؛ المحتوى الحراري هو مجموع كلًا من الطاقة الداخلية للنظام وحاصل ضرب ضغطه في حجمه، كلمة «المحتوى الحراري –Enthalpy» اشتُقَت من الكلمة اليونانية «الحرارة الداخلة –heat inside». إذا كان لديك نظام كيميائي تحت تأثير عدة تغييرات ولكن مع حجم ثابت، فإن الحرارة الخارجة تساوي التغير في الطاقة الداخلية.
رابعًا العشوائية وهي مدى عدم ترتيب أو عشوائية النظام، يجب بذل الشغل للتقليل من عشوائية النظام، العشوائية تأتي من القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي ينص على أن جميع الأنظمة تميل إلى الوصول للإتزان.
خامسًا وأخيرًا الطاقة الحرة أو طاقة جيبس، هي الجهد الحراري الذي يقيس أقصى شغل يمكن بذله بواسطة النظام عند ضغط ودرجة حرارة ثابتين. تكون طاقة جيبس أقل ما يمكن عندما يصل النظام الكيميائي إلى الإتزان عند ثبوت الضغط ودرجة الحرارة.
هكذا نكون قد أحطنا علمًا بكافة النقاط الأساسية للديناميكا الحرارية ويبقى المجال لدراستها متوسعًا ومفتوحًا.
المصادر:
- http://sc.egyres.com/kCno0
- http://sc.egyres.com/H7ONJ
إعداد/ مراجعة: Amira Esmail
#الباحثون_المصريون
