الديناميكا الحرارية

القانون الصّفري في الديناميكا الحرارية

القانون الصّفري في الديناميكا الحرارية

القانون الصّفري في الديناميكا الحرارية

عند ترك فنجان شاي ساخن في غرفة درجة حرارتها معتدلة وأقل من درجة حرارة الفنجان، فإنَّ ما يحدث فعليًا هو فقدان فنجان الشاي الحرارة، واكتساب هواء الغرفة هذه الحرارة ليصل كل من الطرفين إلى نفس درجة الحرارة. بشكلٍ عام، عند اتصال جسمين مختلفين في درجة الحرارة، فإنَّ الحرارة ستنتقل من الجسم ذي درجة الحرارة الأعلى إلى ذي درجة الحرارة الأدنى، إلى أن يصل كِلاهما إلى نفس الدرجة. في هذه اللحظة، انتقال الحرارة سيتوقف بين الجسمين، ممّا يعني أنّ الطرفين وصلا إلى حالة الاتزان الحراري، فالمتطلب الوحيد للوصول إلى حالة الاتزان الحراري هو تساوي درجة الحرارة.

إقرأ أيضا:انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع

ينص القانون الصّفري في الديناميكا الحرارية على التالي: “في حال وجود نظامين مُتزنين حراريًا مع نظام آخر ثالث، فإنَّ ثلاثتهما في حالة اتزان حراري”، ممّا يعني أنّ درجة حرارة النظام هي الخاصية التي تحدد ما إذا كانت الأجسام في حالة اتزان حراري أم لا. قد يبدو القانون بسيطًا وبديهيًا جدًا لكنّه من أهمّ القوانين الأساسية في الديناميكا الحرارية ولا يمكن فصله أو تجزئته عن القانون الأول والثاني والثالث. لُقّب القانون بالقانون بالصّفري لقيمته كمبدأ فيزيائي حراري مهم، ولبساطته، ولأنه استُحدث وأُقرَّ بعد مرور ما يزيد عن النصف قرن من تشكيل قوانين الديناميكا الأخرى.

و للتوضيح، إذا كان النظام (أ) مُتزن حراريًا مع النظام (ب)، وفي ذات الوقت مُتزن حراريًا مع النظام (جـ)، فإنّ النظام (أ) مُتزن حراريًا مع النظام (جـ). لكن، عند إبعاد النظام الثالث أو استثنائه، فإنَّ القانون الصفري تُعاد صياغته لتصبح: ” إذا كان لنظامين نفس درجة الحرارة حتى ولو لم يكونا على اتصال أو تلامس فإنهما يكونان في حالة اتزان حراري “.

التطبيقات العملية للقانون الصّفري Applications of Zeroth Law

من أبسط التطبيقات العملية للقانون الصفري قياس درجة الحرارة باستخدام ميزان الحرارة، إذ يعدّ ميزان الحرارة الزئبقي من أكثر موازين الحرارة شيوعًا في الاستعمال، فمثلًا؛ إذا تمَّ اعتبار ميزان الحرارة هو النظام (أ)، والماء الساخن في دورق ما هو النظام (ب)، والمُراد قياس درجة حرارة الماء في الدورق، ستنتقل الحرارة من الماء الساخن للميزان، وترتفع درجة الحرارة المُقاسة، وسيتمدد الزئبق بالمساحة الموجود فيها وستتغير قراءة ميزان الحرارة، والتي بدورها تعبر عن مقدار التغير في الحرارة الذي حصل. وبمثالٍ آخر، عند قراءة 025 س على ميزان الحرارة في غرفة الجلوس، فهذا يعني أنَّ ميزان الحرارة بحالة اتزان حراري مع محيط الغرفة.

إقرأ أيضا:انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع
مفهوم الحرارة Concept of Heat

مفهوم الحرارة Concept of Heat

تُعرّف الحرارة بأنّها كمية الطاقة الحركية المنتقلة من جسم لآخر، وهي كالشغل وليست خاصية للأجسام. وإذا افترضنا وجود نظامين A  و  B وهما نظامان متلامسان حراريًا ومعزولان بجدران عازلة، والحرارة المنتقلة بينهما هي H ، فستكون الحرارة المنتقلة من النظام A :

HA = UA2 – UA1 + WA

حيث UA2  الطاقة الداخلية النهائية، و UA1 الطاقة الداخلية الابتدائية، و WA  الشغل المبذول. وللنظام B  تكون الحرارة كالتالي:

إقرأ أيضا:انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع

HB = UB2 – UB1 + WB

وبجمع المعادلتين السابقتين فإنّ:

HA + HB

 = UA2 – UA1 + WA + UB2 – UB1 + WB

= [(UA2 + UB2) – (UA1 + UB1) + (WA + WB)]

لكن، إذا كان التغير في الطاقة الداخلية للنظام المركب A/B هو:

(UA2 + UB2) – (UA1 + UB1) = U

و الشغل المبذول بواسطة النظام المركب A/B هو:

WA + WB

فستكون كمية الحرارة المنتقلة للنظام المركب A/B تساوي التغير في الطاقة الداخلية، بالإضافة إلى الشغل المبذول على النظامين، ولكن النظام المركب مُحاط بجدران عازلة للحرارة لذلك محصلة الحرارة تساوي صفر، أيّ أنَّ الحرارة التي سيكتسبها أحد النظامين مساوية للحرارة المفقودة من النظام الآخر.

HA + HB = 0

 HA    – = HB

الطاقة الداخلية Internal Energy

يتكون أي نظام من مجموعة من الذرات والجزيئات تنتقل الطاقة خلالها بأشكال عديدة، كالطاقة الحركية الانتقالية والاهتزازية والدورانية، وطاقة الربط بين الجزيئات والطاقة النووية. مجموع هذه الطاقات تسمى الطاقة الداخلية. تزداد طاقة النظام الداخلية بإضافة كمية من الحرارة أو ببذل شغل من الخارج على النظام. ويجدر بالذكر أنَّه من غير الممكن تجزئة الطاقة الداخلية حسب الجزء الناتج من الحرارة والجزء الناتج من الشغل.

اعداد المحتوى :شهد عمر
التدقيق العلمي : م. حمزة العمايرة
التدقيق اللغوي: م. ماجدة الشريقي
تصميم ورفع المقال: م. انس سلمان 


المراجع




 (1) Cengel, Y. A., & Boles, M. A., (2008), Tempereture and The Zeroth Law of Thermodynamics In Thermodynamics, An Engineering Approach 7th edition.

(2) https://byjus.com/jee/zeroth-law-of-thermodynamics/
السابق
معامل التمدد الحجمي
التالي
تحويل وحدات القياس Conversion of Units

اترك تعليقاً