[ناصر اللحياني]

المحاضرة الرابعة :

القانون الأول للديناميكا الحرارية :

تمهيد :
[align=justify]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 :
∆ 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
∆ ط د = كح – ض × ( ح2-ح1)



2- العملية الأيزوكورية :
نعلم مما سبق أن ، شغ = صفر
إذايصبح القانون الأول
∆ 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 ∆ 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
∆ ط د = - شغ
أي أن الطاقة الداخلية تزداد بمقدار الشغل المبذول[/align]

[ناصر اللحياني]

المحاضرة الخامسة :

الآلة الحرارية

[align=justify]هي آلة تعمل على تحويل الطاقة الحرارية إلى أشكال أخرى للطاقة مثل الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية .

مراحل دورة الآلة الحرارية :
1 – أخذ طاقة حرارية ( كح2 ) من مستودع حراري ذي درجة حرارة عالية ( د2 ) ( المستودع الساخن : سمي بذلك لأنه يفترض أن تكون درجة حرارته ثابتة )
2 – تحول الآلة جزءا من هذه الحرارة إلى شغل ميكانيكي ( الآلة تبذل شغلا )
3 – تزويد الآلة الحرارية بطاقة حرارية ( كح1 ) ذي درجة حرارة منخفضة ( د1 ) إلى المستودع البارد .

وعند تطبيق القانون الأول في الديناميكا الحرارية : ∆ ط د = كح – شغ

∆ ط د = كح2 – كح1 – شغ
ولأن المراحل السابقة هي دورة كاملة ، وبالتالي فإن :
∆ ط د = صفر
إذا :
كح2 – كح1 – شغ = صفر
شغ = كح2 – كح1

مثال توضيحي على الآلة الحرارية ( الآلة البخارية ) :

[FLASH="http://www.phys4arab.net/vb/images/sharh/de24.swf"]width=550 height=280[/FLASH]
لحفظ الفلاش ، أضغط هنا بزر الفأرة الأيمن ثم أختر حفظ بإسم

1 – يمتص الماء الموجود في الغلاية الحرارة من المستودع الساخن فيتحول إلى بخار ( المستودع الساخن هنا عبارة عن وقود يتم حرقه لغلي الماء في الغلاية )

2 – يُفتح صمام الدخول ويغلق صمام الخروج ، فيدخل البخار ليقوم بدفع المكبس إلى الخارج باذلا شغل ، وبذلك تنخفض درجة الحرارة البخار .

3 – عندما يصل المكبس إلى حده الأقصى ليبدأ في الرجوع ، يُغلق صمام الدخول ويفتح صمام الخروج فيخرج البخار في درجة حرارة منخفضة ، ثم يصل إلى المكثف ، الذي يكثف هذا البخار ليتحول إلى ماء ، ونتيجة لذلك يفقد جزءا من طاقته الداخلية ، فتطرد الحرارة الناتجة عن ذلك ( الحرارة الكامنة للتكثيف ) إلى الهواء الخارجي الذي يعتبر بمثابة المستودع البارد .

4 – تقوم المضخة بضخ الماء إلى الغلاية حيث تعاد الدورة من جديد .



مثال توضيحي آخر على الآلة الحرارية ( السيارة ) :

1 – تأخذ طاقة حرارية من البنزين
2 – تحول الحرارة إلى شغل ميكانيكي ( حركة السيارة )
3 – باقي الحرارة يخرج على شكل عادم من السيارة .

مردود الآلة الحرارية ( كفاءتها ) :

يعتبر المردود ( الكفاءة ) من أهم مميزات الآلة من الناحية العلمية . وتعرف كفاءة الآلة الحرارية على أنها النسبة بين ما تبذله الآلة من شغل إلى الطاقة الحرارية الكلية التي تأخذها من المستودع الساخن خلال دورة كاملة .
أي أن :

كفاءة الآلة = الطاقة المنتجة / الطاقة المعطاة = شغ / كح2

لكن شغ = كح2 – كح1

إذا : كفاءة الآلة = (كح2- كح1)/ كح2

كفاءة الآلة = 1 – ( كح1 / كح2 )

وقد وجد كارنو أن : (كح1/كح2 ) = ك1 /ك2

إذا : كفاءة الآلة = 1- ك1 /ك2

القانون الثاني للديناميكا الحرارية :

تمهيد :
القانون الثاني للديناميكا الحرارية جاء مكملا للأول حيث إن القانون الأول هو قانون لحفظ الطاقة فيخبرنا بأن أي زيادة في شكل من أشكال الطاقة يصاحبه نقص في الشكل الآخر ، كما أنه لا يميز الشغل من الحرارة ، إذ يمكن زيادة الطاقة الداخلية للنظام بتزويده بالحرارة أو ببذل شغل عليه ، وبمعنى آخر هناك تحولات محددة للطاقة يسمح بها القانون الأول ، فمثلا يمكن تحويل الشغل كليا إلى حرارة ، ولكن العكس في الواقع غير ممكن أي لا يمكن تحويل الحرارة كليا إلى شغل دون إحداث أي تغيير في الوسط المحيط .

القانون الذي يبحث في أي العمليات ممكنة الحدوث وأيها مستحيلة هو القانون الثاني
و له عدة صيغ ، وهي :

1 - صيغة ( كلفن – بلانك ) " من المستحيل بناء آلة حرارية تعمل بحيث تمتص طاقة حرارية من مستودع حراري واحد وتحولها كليا إلى شغل ميكانيكي " أي أنه لكي تنتج الآلة الحرارية شغلا يجب أن يكون لها مستودعان حراريان مختلفان في درجة الحرارة .

2 – صيغة ( كلاوزيوس الأولى ) " من المستحيل بناء آلة حرارية تعمل بحيث تمتص الحرارة من مستودع حراري ذي حرارة منخفضة ، وتطردها إلى مستودع آخر ذي درجة حرارة أعلى دون الحاجة إلى بذل شغل ميكانيكي "

3- صيغة ( كلاوزيوس الثانية ) : تسري الحرارة سريانا طبيعيا من الجسم الساخن إلى البارد ومن المستحيل أن تسري من البارد إلى الساخن بشكل طبيعي.[/align]

[ناصر اللحياني]

المحاضرة السادسة :

دورة آلة كارنو

ملاحظة حول هذه المحاضرة :
1 - الشرح في هذه المحاضرة يختلف كثيرا في طريقة العرض عن كتاب الطالب
2 - مقتبس من شرح د. حازم سكيك مشرف منتدى الفيزياء التعليمي مع تصرف

تمهيد :
[align=justify]قبل الحديث عن دورة كارنو يجب أن نعلم إن هذه الدورة تمثل آلة ميكانيكية تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ولكن هذه الآلة لا وجود لها ( ولكنها تمثل أهمية كبيرة لمصممي المحركات بمختلف أنواعها حيث تحدد هذه الآلة أهم العناصر الرئيسية لصناعة المحركات وهي الكفاءة.

وبالطبع الكفاءة موضوع مهم جدا لأنه من الطبيعي كلما تحسنت كفاءة المحرك كلما كان المردود اكبر فنحن نحتاج إلى الطاقة الميكانيكية لتحريك ونقل الأشياء، وهذا يتأتي على حساب الطاقة الحرارية التي نحصل عليها من حرق الفحم أو الوقود والأداة التي تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية نسميها المحرك Engine.

دعونا نلقي الضوء على فكرة عمل الآلة Engine بصفة عامة ، ولكي نقرب ما تقوم به الآلة ، نضرب مثالا على ذلك الشخص الذي يقود دراجة فبتحريك قديمه على البدالات مرة للأعلى ومرة للأسفل فان الدراجة سوف تندفع للأمام من خلال الأجزاء الميكانيكية التي عملت على نقل الحركة الدائرية إلى التروس ومن ثم إلى العجلات، الآلة في الحقيقة هي ذلك الشخص الذي يقود الدراجة ولكن ليس بقدميه بل باستخدام المكابس ولكي تتحرك هذه المكابس نحتاج إلى مادة تتمدد وتنكمش لتشكل ضغط على المكابس فتدفع الذراع المتصل بالمكبس ذهابا وإيابا لتحرك العجلة المتصلة بها وتنطلق المركبة أو القطار. وفي الحقيقة العلم الذي يهتم بالأجزاء الميكانيكية في نقل الحركة وجعلها أكثر نعومة وانسيابية هو علم الهندسة الميكانيكية ، أما العلم المختص بالجزء الداخلي للمكبس نفسه والعمليات التي تجري عليه هو علم الديناميكا الحرارية ، ولهذا يجتمع الفيزيائيين والكيميائيين والمهندسين ، والحديث في هذا المجال يطول ولو نظرت إلى كل وسائل النقل من بدون استثناء لوجدت الديناميكا الحرارية هي وراء هذه التقنية.

جميع أنواع الآلات الحرارية تعمل على نفس المبدأ ، فيجب أن تكون في الآلة مادة تتغير درجة حرارتها وضغطها وحجمها في عدة مراحل ولكن في النهاية تعود إلى وضعها الابتدائي ولهذا نسمي هذا التغير بدورة الآلة لان المادة المستخدمة تتعرض إلى مجموعة من العمليات الحرارية ينتج عنها شغل ( طاقة ميكانيكية ) وتعود المادة إلى وضعها الابتدائي لتتكرر الدورة باستمرار ونحصل على شغل باستمرار.

وجميع الآلات الحرارية تصنف في الأغلب إلى نوعين : نوع يسمى آلات الاحتراق الداخلي آلات الاحتراق الخارجي ، وهي في الأساس تعتمد على فكرة آلة كارنو. وكل المحاولات التي جرت على تطوير المحركات كانت لتحسين كفاءة المحرك وزيادة الشغل الناتج عنه.


الخلاصة :

آلة كارنو :
هي آلة مثالية ، ومادة تشغيلها غاز مثالي ، تعمل بين مستودعي حرارة ، وتشكل الحدّ الأعلى لفاعلية الآلات الحرارية كلها ، وتقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ، من خلال قيام المادة بدورة كاملة تمتص فيها الحرارة من المستودع الساخن ، وتفقد حرارة إلى المستودع البارد .


تنبيه وتأكيد :
آلة كارنو الحرارية ليست وصفا لتركيب آلة حرارية محددة ، بل وصفا لعمليات دورة حرارية ، لو تمت – هذه العمليات – في أي آلة حرارية لأعطت أعلى كفاءة ممكنة


أهمية آلة كارنو :
1 – تعميق فهم الآلات الحرارية عمليا ونظريا .
2 – تساعد في تحديد كيفية زيادة فعالية الآلات الحرارية .

الدورة الديناميكية الحرارية العكوسة:
نقول عن الدورة الديناميكية الحرارية أنها دورة عكوسة إذا كانت جميع عملياتها عكوسة ، ومعنى ذلك أن يمكن عكس العمليات جميعها وبالتالي عكس الدورة بأكملها .


مراحل دورة كارنو الانعكاسية :

المرحلة الأولى :
يتمدد فيها الغاز عند درجة حرارة عالية وثابتة ( عملية إيزوثيرمية )

شرح المرحلة الأولى :
يكون المكبس متصل مع المستودع الساخن وبالتالي سيمتص الغاز كمية حرارة ( كح2 ) من المستودع الساخن ، فيقوم الغاز ببذل شغل لدفع المكبس. وتكون هذه العملية تحت درجة حرارة ثابتة أي أنها ( عملية إيزوثيرمية ) .



المرحلة الثانية :
يستمر تمدد الغاز ولكن وهو معزولا ( عملية أدياباتية )

شرح المرحلة الثانية:
يكون المكبس في هذه الحالة غير متصل بأي مستودع حراري ( أي أنه معزول ) ويحدث في هذه المرحلة استمرار لتمدد الغاز ولكن تحت كمية حرارة ثابتة ( عملية أدياباتية ) مع بذل الغاز شغل لدفع المكبس ، ينتج عنها انخفاض في درجة الحرارة .


المرحلة الثالثة :
ينضغط فيها الغاز عند درجة حرارة منخفضة وثابتة ( عملية إيزوثيرمية )

شرح المرحلة الثالثة :
يتصل المكبس في هذه الحالة مع المستودع البارد و ينضغط الغاز عند درجة حرارة منخفضة وثابتة ( عملية إيزوثيرمية ) وهنا يبذل المكبس شغل على الغاز .


المرحلة الرابعة :
يستمر انضغاط الغاز و لكن وهو معزولا ( عملية أدياباتية )

شرح المرحلة الرابعة :
يكون المكبس في هذه الحالة غير متصل بأي مستودع حراري ( أي أنه معزول ) ويحدث في هذه المرحلة استمرار لانضغاط الغاز ولكن تحت كمية حرارة ثابتة ( عملية أدياباتية ) مع بذل المكبس شغلا على الغاز ، ينتج عنها ارتفاع في درجة الحرارة .

فلاشات تشرح دورة كارنو

تجدها أيضا في مرفقات هذا الردّ

[align=center][FLASH="http://www.phys4arab.net/vb/images/sharh/de34.swf"]width=400 height=350[/FLASH]

[FLASH="http://www.phys4arab.net/vb/images/sharh/de35.swf"]width=400 height=350[/FLASH]

[FLASH="http://www.phys4arab.net/vb/images/sharh/de36.swf"]width=400 height=350[/FLASH]


[FLASH="http://www.phys4arab.net/vb/images/sharh/de38.swf"]width=400 height=350[/FLASH][/align]

مردود آلة كارنو ( كفاءتها ) :

كما مرّ معنا .. نستطيع القول بأن :

كفاءة آلة كارنو = الطاقة المنتجة / الطاقة المعطاة = شغ / كح2

وبافتراض أن الآلة لا تهدر أي طاقة في الاحتكاك أو غيره فإن :

شغ = كح2 – كح1

إذا : كفاءة الآلة = (كح2- كح1)/ كح2 [/align]
كفاءة الآلة = 1 – ( كح1 / كح2 )

وقد وجد كارنو أن : (كح1/كح2 ) = ك1 /ك2

[اسولة]

جزاكم الله كل خير على الجهود المبذولة شرح وافي وواضح