قانون الأول للديناميكا الحرارية

لقانون الأول للديناميكا الحرارية
مراجعة الدرس السابق من خلال الأسئلة التالية :
س1/ اكتبي قانون حساب الشغل المبذول في العمليات التالية :
العملية الإيزوثيرمية – العملية الكظمية ؟
س2/ قارني بين التغيرات ثابتة درجة الحرارة " الإيزوثيرمية " والتغيرات ثابتة كمية الحرارة " الكظمية أو المعزولة " ؟
المعلمة : ولكي نتعرف على القانون الأول لديناميكا الحرارية لنفرض أنه لدينا نظاماً حرارياً مغلقاً مكوناً من غاز محصور في اسطوانة مزودة بمكبس قابل للحركة.كالنظام التالي
ماذا يحدث عند تسخين غاز محصور داخل اسطوانة مزودة بمكبس؟
الطالبة : كمية من الحرارة يكتسبها الغاز ونتيجة لذلك فإن الغاز يستخدم هذه الطاقة في :
1/ ترتفع درجة حرارة الغاز وبالتالي تزداد طاقته الداخلية
2/ يتمدد الغاز ويدفع المكبس وعندها فإن النظام يبذل شغل
نلاحظ مما سبق أن كمية الحرارة التي يكتسبها النظام تستغل في تغيير الطاقة الداخلية للنظام و الشغل الذي يبذله النظام.
المعلمة : إذاً نستنتج : أنه إذا تم تزويد النظام بكمية من الحرارة" طاقة حرارية " " كح "فإن أثر هذه الطاقة الحرارية يظهر في :
- تمدد المكبس إلى الخارج عكس الضغط الجوي .
- زيادة الطاقة الداخلية للنظام ( ارتفاع درجة حرارة النظام )
وفي درسنا لهذا اليوم سوف نتعرف على العلاقة بين كلٍ من كمية الحرارة التي يكتسبها النظام والتغير في طاقته الداخلية والشغل الذي يبذله النظام .
يعتبر القانون الأول للديناميكا الحرارية أحد أشكال قانون حفظ الطاقة .
يدرس القانون الأول للديناميكا الحرارية العلاقة بين المتغيرات الثلاثة التالية :
الشغل و التغير في الطاقة الداخلية للنظام" &**8710; ط د "
والطاقة الحرارية " كمية الحرارة " " كح ".
المعلمة : كيف يمكننا تطبيق قانون حفظ الطاقة على هذا النظام ؟
الطالبة :بحسب قانون حفظ الطاقة فإن كمية الحرارة التي امتصها النظام تساوي التغير في طاقته الداخلية مضافا إليها الشغل الذي بذله النظام
االمعلمة : كيف يمكنك كتابة القانون السابق بشكل معادلة رياضية؟ :
الطالبة : كح = &**8710; ط د + شغ
المعلمة : ( هذه النتيجة هي قانون الديناميكا الحرارية الأول )
تسأل المعلمة الطالبات كيف يمكننا صياغة المعلومات السابقة بشكل قانون وتحثهن على استنتاج نص القانون الأول للديناميكا الحرارية
نص القانون : إن كمية الحرارة التي يمتصها النظام ( أو يفقدها ) تساوي مجموع التغير في طاقته الداخلية والشغل الذي يبذله ( أو يبذل عليه ) .
الصيغة الرياضية للقانون : &**916;ط د = كح – شغ
ولكن كيف تكون الإشارات في هذا القانون
لتوضيح كيف تكون الإشارات في القانون السابق دعونا نضرب مثال بسيط :
الإنسان وتغذيته :مكننا اعتبار جسم الإنسان نظام
1- لنشبه الطعام أو الغذاء الذي نأكله بالطاقة الحرارية التي تعطى للنظام ( كح )
2- نشبه الدهون المخزنة في الجسم كأنها هي الطاقة الداخلية للنظام ( ط د )
3- ونشبه الحركة أو التمارين أو الأعمال التي يبذلها الإنسان هي الشغل ( شغ )
عندما يأكل الإنسان طعام أي زود النظام بكمية من الحرارة هنا كح موجبة
وإذا فقد الإنسان غذاء تكون كح سالبة
عندما يتحرك الإنسان بنشاط يلعب رياضة يعمل كما هيأه رب العالمين للعمل والكسب والكد فإن الشغل في هذه الحالة موجب أما إذا كان الإنسان كسول خامل لا يعمل وإنما يحتاج لمن يخدمه ويباشر عليه أي يعتمد على غيره عندها نقول أن الشغل سالب
ألفت نظر الطالبة هنا إلى أن إشارة كمية الحرارة عكس إشارة الشغل
كذلك كلما أكل الإنسان أكثر زادت الدهون المخزنة في جسمه أي زادت طاقته الداخلية
بينما كلما بذل الإنسان حركة . شغل . رياضة . قلت الدهون المخزنة في جسمه أي قلت طاقته الداخلية
كمية الطعام التي يأكلها الإنسان يجب أن تتناسب مع ما يبذله من شغل حتى لا يخزن الفائض منها على شكل دهون في الجسم
إذا لنلخص إشارات الرموز في القانون ثم نجمعها :
1- يكون الشغل ( شغ ) : موجبا إذا بذل النظام شغلا ( تمدد الغاز )
سالبا إذا بُذل شغلا على النظام ( انكمش الغاز )
2- تكون كمية الحرارة ( كح ) : موجبة إذا اكتسب النظام حرارة.
سالبة إذا فقد النظام حرارة.
3- تكون &**8710; طد : موجبة إذا ازدادت الطاقة الداخلية للنظام
سالبة إذا نقصت الطاقة الداخلية للنظام
مما سبق تطلب المعلمة استنتاج وتلخيص النتائج التي حصلنا عليها وتسجل هذه النتائج في جدول للرجوع إليه عند حل المسائل:
عند تطبيق القانون الأول للديناميكا ينبغي ملاحظة الإشارات المذكورة بالجدول السابق :
وكذلك ينبغي ملاحظة الآتي :
1- تزويد النظام بالحرارة يؤدي إلى زيادة طاقته الداخلية .
2- قيام النظام بشغل يؤدي إلى تناقص طاقته الداخلية.
3- تعامل الحرارة في الديناميكا الحرارية كأنها شغل فهي طاقة يمكن أن تنتقل عبر الحدود الفاصلة بين النظام والوسط المحيط.
4- تختلف الحرارة عن الشغل من حيث أن انتقالها مرهون بوجود فرق في درجة الحرارة بين النظام والوسط المحيط به وأن تلامسهما شرط أخر لانتقال الحارة بالتوصيل.
5- تزويد النظام بالحرارة يؤدي إلى تخزينها في النظام على شكل طاقة حركية وطاقة وضع للجزئيات وبالتالي زيادة الطاقة الداخلية للنظام ولاتخزن فيه على شكل كمية

القانون الأول للديناميكا الحرارية :

تمهيد :
لنفترض أن لدينا نظاما ديناميكيا حراريا يتكون من غاز محصور في أسطوانة مزودة بمكبس ، فإذا سخنا هذا النظام ( أعطيناه حرارة ) فإننا نلاحظ :
( 1 ) ارتفاع درجة حرارة الغاز ، أي أن الطاقة الداخلية للنظام زادت .
( 2 ) تمدد الغاز و ارتفاع المكبس للأعلى ، أي أن النظام قد بذل شغلا .
وبحسب قانون حفظ الطاقة فإن كمية الحرارة التي أمتصها النظام تساوي التغير في طاقته الداخلية مضافا إليه الشغل الذي بذله النظام ( هذه النتيجة هي قانون الديناميكا الحرارية الأول )
نص القانون :
إن كمية الحرارة التي يمتصها النظام ( أو يفقدها ) تساوي مجموع التغير في طاقته الداخلية والشغل الذي يبذله ( أو يبذل عليه ) .
الصيغة الرياضية للقانون :
&**8710; ط د = كح – شغ
جدول الإشارات :
ملاحظات من القانون الأول :
( 1 ) لا يميز القانون الأول بين الشغل والحرارة ، حيث يمكن زيادة الطاقة الداخلية للنظام بتزويده بالحرارة أو ببذل شغل عليه ، أو بكليهما ، وبالتالي تعامل الحرارة في الديناميكا الحرارية كأنها شغل ، فهي طاقة يمكن أن تنتقل عبر الحدود الفاصلة بين النظام والوسط المحيط به ، لكنها تختلف عن الشغل من حيث أن انتقالها مرهون بوجود فرق في درجة الحرارة بين النظام والوسط المحيط ، وتلامسهما أيضا هو شرط آخر لانتقال الحرارة بالتوصيل .
( 2 ) تزويد النظام بالحرارة لا يؤدي إلى تخزينها على شكل حرارة ، بل إلى تخزينها على شكل طاقة حركية ، وطاقة وضع للجزيئات الميكروسكوبية التي يتكون منها هذا النظام ، كما تؤدي إلى زيادة الطاقة الداخلية للنظام .
( 3 ) القانون الأول في الديناميكا الحرارية هو قانون حفظ للطاقة ، فأي زيادة في أي شكل من أشكال الطاقة يصاحبه نقص في شكل آخر .

تعليق د. مازن العبادلة :
كمية الحرارة التي يكتسبها النظام هي في النهاية طاقة يستفيد منها الجسم على احد منحيين ... الاول انه يبذل شغلا ... والثاني انه يضيفها إلى طاقته الداخلية ... طبعا او هما معا وهو القانون الاول ...وهذايشبه ان تتلقى دعما ما كألف دينار مثلا ...فإما أنك تنفقها او تعمل بها مشروعا (شغل) او انك تضيفها كلها إلى رصيدك في البنك (طاقة داخلية ) او انك قد تتصرف بحكمة فتصرف جزءا وتضع آخر في البنك ...ههه
والان كما قالت ربانة تماما... هناك فرق بين الاكتساب والفقد والشغل بواسطة النظام أو على النظام ... فالإيجاب دائما موجب والسلب دائما سالب ...ههه ... يعني من قدم شغلا فهو إيجابي في الحياة حتى ولو خسر شيئا من ممتلكاته ... والذي يستقبل تفضل الناس (شغلهم عليه) هو سلبي يعيش على الاخرين ... هكذا في الدنيا والاجتماعيات ...
تطبيق القانون الأول على بعض العمليات ( الإجراءات ) الديناميكية الحرارية
1- العملية الأيزوبارية : نعلم مما سبق أن ، شغ = ض × ( ح2-ح1)
إذايصبح القانون الأول
&**8710; ط د = كح – ض × ( ح2-ح1)
2- العملية الأيزوكورية :نعلم مما سبق أن ، شغ = صفر
إذايصبح القانون الأول
&**8710; ط د = كح
3- العملية الأيزوثيرمية : نعلم مما سبق أن ، شغ = ح1 ض1 لو ( ح2/ح1 ) وأيضا : شغ = ح1 ض1 لو ( ض1/ض2 )
وبما أن درجة الحرارة ثابتة فإن &**8710; ط د = صفر
إذا: كح = ح1 ض1 لو ( ح2/ح1 ) أو: كح = ح1 ض1 لو ( ض1/ض2 )
4- العملية الكظمية :
بما أن النظام معزول حراريا فإن كح = صفر
إذا
&**8710; ط د = - شغ
أي أن الطاقة الداخلية تزداد بمقدار الشغل المبذو