قوانين الديناميكا الحرارية

القانون الصفري: التوازن الحراري ودرجة الحرارة

إذا كان الجسمان A وB في توازن حراري، وكان B وC في توازن حراري، فإن A وC في توازن حراري أيضًا. ويتيح هذا القانون لميزان الحرارة (B) مقارنة درجات حرارة أجسام مختلفة. ولأنه أكثر جوهرية من بقية القوانين، سُمّي لاحقًا القانون «الصفري».

القانون الأول: حفظ الطاقة

التغيّر في الطاقة الداخلية لنظام يساوي الحرارة المضافة إليه مطروحًا منها الشغل الذي يبذله (ΔU = Q − W). وقد تأسّس في منتصف القرن التاسع عشر بتجارب جول على المكافئ الميكانيكي للحرارة وبأعمال ماير وهلمهولتز. ويستحيل وجود آلة دائمة الحركة من النوع الأول، أي آلة تبذل شغلًا دون مصدر للطاقة. ويُطبَّق المبدأ نفسه على توازن الطاقة في الجسم البشري، كما في معدّل الأيض الأساسي.

القانون الثاني: الإنتروبيا واتجاه العمليات

يحدّد القانون الثاني اتجاه العمليات الطبيعية، وله صيغتان كلاسيكيتان:

• صيغة كلاوزيوس: لا يمكن أن تنتقل الحرارة تلقائيًا من جسم أبرد إلى جسم أسخن دون تغيّر آخر.
• صيغة كلفن-بلانك: لا يمكن لمحرّك دوري أن يأخذ حرارة من مستودع واحد ويحوّلها كلها إلى شغل (تستحيل الآلة الدائمة الحركة من النوع الثاني).

أدخل كلاوزيوس (1865) مفهوم الإنتروبيا وصاغ القانون بقوله: إنتروبيا النظام المعزول لا تتناقص. والكفاءة القصوى للمحرّك الحراري المثالي الذي حلّله كارنو (1824) هي η = 1 − T_بارد/T_ساخن (بدرجات الحرارة المطلقة)، والمحرّكات الحقيقية أقل كفاءة. وتتواصل الامتدادات الاجتماعية لمفهوم الإنتروبيا في قانون الإنتروبيا.

القانون الثالث: الصفر المطلق

انبثق القانون الثالث من نظرية نرنست الحرارية (1906)، وينصّ على أنه كلما اقتربت درجة الحرارة من الصفر المطلق (0 K)، اقتربت إنتروبيا النظام من حدّ أدنى ثابت. ويمكن عدّ إنتروبيا البلّورة التامة صفرًا عند 0 K، ويترتّب على ذلك أنه لا يمكن بلوغ الصفر المطلق بعدد محدود من الخطوات. وتظهر عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا ظواهر مثل الموصلية الفائقة.

التطبيقات

تُستخدم القوانين لحساب أداء المحرّكات الحرارية والثلاجات، والحكم على تلقائية التفاعلات الكيميائية (الطاقة الحرة لجيبس)، ووصف استقلاب الطاقة في الكائنات الحية، كما في أيض التمارين الهوائية واللاهوائية، وفهم توازن الطاقة في مناخ الأرض والاحتباس الحراري. غير أن الديناميكا الحرارية تتناول حالات التوازن وموازين الطاقة، لا سرعة انتقال الحرارة؛ فالمعدّلات موضوع انتقال الحرارة، الذي تستند إليه أيضًا تفسيرات ظاهرة مبيمبا. ولحدود الفيزياء الكلاسيكية انظر الظاهرة الكهروضوئية ومبدأ عدم اليقين.

تاريخ مراجعة المصادر: 2026-10-26

انظر أيضًا

• انتقال الحرارة
• قانون الإنتروبيا
• ظاهرة مبيمبا

المراجع

1. Carnot, S. (1824). Réflexions sur la puissance motrice du feu. Paris: Bachelier.
2. Clausius, R. (1865). Über verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Annalen der Physik und Chemie, 125(7), 353-400.
3. Fermi, E. (1937). Thermodynamics. New York: Prentice-Hall.
4. Callen, H. B. (1985). Thermodynamics and an introduction to thermostatistics (2nd ed.). New York: Wiley.
5. Joule, J. P. (1850). On the mechanical equivalent of heat. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 140, 61-82.
6. Nernst, W. (1906). Über die Berechnung chemischer Gleichgewichte aus thermischen Messungen. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, 1-40.
7. Atkins, P. (2010). The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction. Oxford University Press.
8. Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2015). Thermodynamics: An Engineering Approach (8th ed.). McGraw-Hill.