lec-9

القانون الاول للثرموداينميك

القانون الاول للثرموديناميك هو شرح لمبدأ حفظ الطاقة فهو يؤكد على ان الطاقة الفائضة في النظام تساوي التغير في الطاقة الداخلية في النظام. و الطاقة الداخلية في مجال الثرموديناميك شكلان احدهما شغل مبذول على النظام أو بواسطة النظام و الثاني تدفق الحرارة بالتوصيل و الإشعاع
وإذا انتقلت الطاقة إلى نظام ما فان طاقة النظام تزداد بمقدار يساوي الطاقة المنتقلة حسب قانون حفظ الطاقة , فإذا كانت U1 طاقة النظام عند ابتداء العملية و U2 طاقته عند انتهاء العملية و Q الحرارة المتدفقة إلى النظام, W الشغل الذي ينجزه النظام خلال العملية فان U2 –U1 الزيادة في طاقة النظام بين Q و W أي ان
U2-U1 = Q-W
هذه المعادلة شكل من اشكال القانون الاول للثرموديناميك و تسمى U بالطاقة الداخلية للنظام وتعتمد على حالة النظام الابتدائية فقط و ليس على طريقة اجراء العملية على النظام وتغير حالته.
ويمكن كتابة العلاقة السابقة للعمليات التي يكون فيها تغير الحالة صغير أي في العمليات التي يمتص فيها النظام كمية صغيرة من الحرارة dQ وينجز كمية صغيرة من الشغل dW
dU=dQ-dW
وتقاس كل من Q,W,U في العلاقات السابقة بوحدات الطاقة وهذه المعادلة تمثل الصيغة التفاضلية للقانون الاول للثرموديناميك.
اذا مر الكيان بدورة كاملة بعد انتهاء العملية إلى نفس حالته الابتدائية فان
مقدار التغير بالطاقة الداخلية يساوي صفر.






تجربة جول
اجرى العالم جول عدة تجارب لإيجاد العلاقة الكمية بين الحرارة والشغل. في بداية التجربة تقاس درجة حرارة المائع الابتدائية ثم يسمح للثقل mg بالسقوط تحت تأثير الجاذبية الارضية. ان سقوط الثقل يؤدي إلى انجاز شغل على المائع فترتفع درجة حرارته



إن مقدار الشغل المبذول W يمكن حسابه من معرفة مقدار الثقل و المسافة و كمية الحرارة المتولدة Q .
عندما يعود المائع إلى حالته الابتدائية يقال أن الكيان (المائع) قد مر خلال دورة كاملة وعند مقارنة الشغل المنجز مع كمية الحرارة نجد أن الحرارة تتغير طرديا أي إن العلاقة بينهما طردية كما في الشكل أدناه.










ويمكن صياغة النتيجة التي وصل إليها جول من خلال تجاربه فعند مرور أي كيان خلال دورة كاملة فان التكامل الدوري للشغل يتناسب طرديا مع التكامل الدوري للحرارة

و من ذلك نستنتج
---------------(1)

حيث J ثابت التناسب ويسمى المكافئ الميكانيكي للحرارة ويعتمد على نوع الوحدات المستعملة لقياس كمية الحرارة و الشغل و هي تساوي 4.18 J/cal .
إن المعادلة (1) تمثل قانون جول, حيث إن قانون جول هو تعبير رياضي للقانون الأول للثرموديناميك بالنسبة لكيان مغلق يمر بدورة كاملة. المعادلة (1) تعطي العلاقة الكمية بين الشغل و الحرارة عندما يستعمل كل الشغل المبذول على الكيان لتوليد الحرارة أو العكس بالعكس. والعلاقة البسيطة بين الشغل و الحرارة هي :-

W=JQ ------------(2)
اما عمليا
اذا دخلت كمية معينة من الحرارة إلى كيان ما فان الحرارة الداخلية لا تتحول كليا إلى شغل منجز فجزء من الحرارة التي يجهز بها الكيان تستخدم لإنجاز شغل خارجي على المحيط و الجزء المتبقي يستخدم لزيادة الطاقة الداخلية للكيان.







تطبيقات القانون الاول للثرموديناميك
1- بالنسبة لكيان مغلق يمر بدورة كاملة
ينص القانون الاول للثرموديناميك بالنسبة لكيان مغلق يمر بدورة كاملة على ما يلي :-
عندما يمر الكيان المغلق بدورة كاملة فان المجموع الجبري للطاقة الحرارية المنتقلة من الوسط الخارجي إلى الكيان عبر حدود الكيان تتناسب مع المجموع الجبري للشغل المنتقل من الكيان إلى الوسط الخارجي





2- بالنسبة إلى كيان مغلق تتغير حالته.
في هذه الحالة الطاقة الكامنة و الحركية تبقى ثابتة ولكن الطاقة الداخلية تتغير بحيث ان الزيادة في الطاقة الداخلية للكيان تساوي الفرق بين كمية الطاقة المضافة للكيان ومقدار الشغل المنتقل إلى المحيط.


أو بعبارة اخرى ان الزيادة في الطاقة الداخلية للكيان تساوي كمية الطاقة المضافة من المحيط إلى الكيان ناقص مقدار الشغل المنتقل من الكيان إلى المحيط.