طاقة الداخلية

طاقة داخلية[عدل]


[rtl]في الديناميكا الحرارية وفي فيزياء الأجسام (بالإنجليزية: internal energy) تعد الطاقة الداخلية طاقة الحركة الناتجة عن حركة الجزيئات في المادة سواء كانت حركة انتقالية أو دورانية ،و اهتزازية ,كذلك طاقة الوضع الناتجة عن الحركة الاهتزازية ، والطاقة الكهربية للذرات المكونة للجزيئات أو البلّورات. وتشمل الطاقة الداخلية أيضا على الطاقة المخزونة في الترابط الكيميائي ، وطاقة الإلكترونات الحرة في الموصلات والمعادن.
كما يمكن حساب الطاقة الداخلية للإشعاع الكهرومغناطيسي أو إشعاع الجسم الأسود. وهي دالة لنظام معين معزول وله صفات معينة.

[/rtl]

1وصفها وتعريفها

2الطاقة الداخلية في الديناميكا الحرارية

3أنواع الطاقة الداخلية

4تغير الطاقة الداخلية خلال عملية ترموديناميكية

5توازن الطاقة في العملية الدورية

6المراجع

7انظر أيضًا

[size][rtl]

وصفها وتعريفها[عدل]

الطاقة الداخلية U هي مجموع الطاقات E_i الذاتية التي تخص نظام ترموديناميكي:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وهي تقسم إلى جزئين أحدهما طاقة الوضع (U_pot) وطاقة الحركة(U_kin) :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وتظهر طاقة الحركة لنظام كمجموع حركات الجسيمات المكونة للنظام ، سواء كانت حركة الذرات أو أنوية الذرات ، أو حركة الجزيئات أو الإلكترونات. وطاقة الوضع تعين من جميع الطاقات المتعلقة بكتلة الجسيمات المكونة للنظام ، وكذلك التركيب الكيميائي مثل الطاقة الكيميائية المخزونة في روابط الذرات وهي التي تستطيع أن تقوم بالتفاعلات الكيميائية ، وكذلك طاقة الوضع النووية المختزنة في تشكيلات البروتونات والنيوترونات وجسيمات أولية أخرى تكمن في انوية الذرات. كذلك ينتمي إلى الطاقة الداخلية مجالات القوى داخل النظام ، مثل مجال التأثير الكهربائي والمجال المغناطيسي ، وكذلك طاقة الاعوجاج والتهشم في المواد الصلبة والإجهاد وقوي الشد. ولا تحتوي الطاقة الداخلية على طاقة الحركة للنظام بأسره. والطاقة الداخلية لا تحوي أيضا أي من طاقة وضع أو طاقة حركة قد يمتلكها الجسم بسبب موقعه في مجال خارجي ، مثل الجاذبية أو مجال كهربائي استاتيكي أو مجال قوي كهرومغناطيسية.
وعند دراسة الديناميكا الحرارية يندر أن نأخذ جميع الطاقات الذاتية لنظام مثل العينة التي نفحصها فلا نأخذ الطاقة المكافئة للكتلة. تلك الخاصية أتت بها النظرية النسبية ويجب تطبيقها في مجالات أخرى.
وعندما نقوم بدراسة نظام ترموديناميكي (ديناميكا حرارية) فمن الصعب حساب جميع أنواع الطاقات الداخلية. ^[1]
ونقتصر على خواص النظام المعتمدة على حجم النظام ، وكمية المادة به والضغط ودرجة الحرارة.
وعند درجة حرارة أعلى من درجة الصفر المطلق تتفاعل في النظام طاقة الحركة وطاقة الوضع مع بعضها البعض ولكن مجموعهما يكون ثابتا في نظام مغلق معزول. وطبقا لنظرية الحركة الحرارية الكلاسيكية فكانت تعتبر أن النظام يفقد طاقة الحركة عند درجة الصفر المطلق وتبقى طاقة الوضع. ولكن ميكانيكا الكم بينت فيما بعد (عام 1923) أن النظام يكون له ما يسمى "طاقة نقطة الصفر" كطاقة حركة عند جرجة الصفر المطلق. ويوجد نظام عند درجة الصفر المطلق فيحالته القاعية طبقا لميكينيكا الكم وهي أقل مستوى طاقة يمكن أن يتخذها النظام. ونقول أن عند درجة الصفر المطلق يصل النظام إلى أقل إنتروبيا له.
وطاقة حركة الجزيئات التي تشكل جزءا من الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي هي التي تؤدي ظهر حرارته. وتبين الميكانيكا الإحصائية أن حركة الجزيئات العشوائية في النظام تشترك وتشكل متوسط طاقة الحركة لجميع الجزيئات المتكون منها النظام. كما تبين الميكانيكا الإحصاية أيضا أن متوسط طاقة الحركة للجسيمات هي التي تظهر الخواص المشاهدة للنظام كما نعهده من الخارج ومن ضمنها درجة حرارته. وتسمى تلك الطاقة عادة الطاقة الحرارية للنظام ،^[2]وهي التي تجعلنا نفرق بين الجسم البارد والجسم الساخن.
وتدرس الميكانيكا الإحصائية نظام عن أساس أن جزيئاته موزعة عشوائيا على عدد N من الحالات الصغرية microstates ، وكل منها ذو طاقة E_i ومقترنا بدرجة من احتمال وجودها p_i. وتكون الطاقة الداخلية هي متوسط قيم الطاقة الكلية للنظام ، أي مجموع طاقات الحالات الصغرية ، وكل منها يتسم بمعامل يعبر عن احتمال وجود كل حالة صغرية في النظام ككل:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة],
حيث [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] هو احتمال وجود حالة الطاقة ذات المقدار Ei في النظام .
تلك المعادلة هي التعبير الإحصائي ل القانون الأول للديناميكا الحرارية.

الطاقة الداخلية في الديناميكا الحرارية[عدل]

تعرف الطاقة الداخلية U لنظام في الديناميكا الحرارية بأنها إحدى خصائص النظام - والتغير في الطاقة الداخلية ΔU يساوي مجموع الحرارة Q التي يكتسبها النظام والشغل W الذي يؤديه النظام (يمكن تخيل أن لدينا مكبسا نمده بالحرارة فيتمدد الغاز فيه ، فيندفع المكبس إلى أسفل ويؤدي حركة (شغل)). ^[3]
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
تقول تلك المعادلة أن الطاقة الداخلية لنظام تزيد عند إمداده بحرارة أو عند زيادة الضغط عليه حيث أن الطاقة المسلطة عليه من الخارج تختزن فيه (إلى حين تسريبها وأداء شغل).
تهمنا الطاقة الداخلية لنظام في الترموديناميكا الحرارية لأنها تمكننا من حساب كفاءة عمل الآلات ، مثل محرك الاحتراق الداخلي ، آلة بخارية ، محرك كهربائي ، محرك نفاث ، وغيرها.
وحدة الطاقة الداخلية مثل وحدات الطاقة جميعا وهي الجول ، وقد تستعمل وحدات أخرى لأسباب تاريخية (مثل السعر الصغير (Calorie) والسـُعر الكبير (KiloCalorie) أو للتناسب مع الحالة تحت الدراسة ، فمثلا يستعمل الفيزيائيون وحدة الإلكترون فولت (eV) أو (keV) أو (MeV)عند تعاملهم مع الذرة والجسيمات الأولية تحت الذريى.

أنواع الطاقة الداخلية[عدل]

الطاقة الداخلية هي مجموع الطاقات التي تحتويها جزيئات أي نظام ، وهي ترجع إلى التركيب الجزيئي للمواد ودرجة نشاط تلك المادة. ويمكن اعتبارها مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع للجزيئات ، وتتكون من الأنواع الآتية من الطاقة:
center
[/rtl][/size][size][rtl]

تغير الطاقة الداخلية خلال عملية ترموديناميكية[عدل]

يصف القانون الأول للديناميكا الحرارية تغير الطاقة الداخلية لنظام بأنها مجموع الحرارة الداخلة إلى النظام + وما يقوم به من شغل ، مع اعتبار أن النظام مغلق (معزول):
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
نكتب على اليمين في المعادلة [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] بدلا من [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] لأن كلا من Q و W عبارة عن دالة عملية وليسا دالة حالة كما هو الحال بالنسبة إلى الطاقة الداخلية U التي هي دالة حالة ، وتتسم بخاصية التفاضل الكامل :
أي أن:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وبافتراض عملية دورية مع وضع [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] نحصل على:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
مع مراعاة أن الطاقات المعلمة 1 هي طاقة تـُمد إلى النظام (موجبة الإشارة) والطاقات الخارجة 2 من النظام (المفقودة مع العادم) نعلمها بإشارة سالبة ،(انظر أسفله "موازنة الطاقة في عملية دورية".)
وعندما يكون هناك تغير في كمية النظام يصبح لدينا تفاضل كامل :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
حيث :
درجة الحرارة المطلقة T,
الإنتروبية S,
الضغط p ،
الكمون الكيميائي [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة].
أي تنطبق المعادلة :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
على كل مسيرة مغلقة ل [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] ، بصرف النظر عن كيفية اختيار دوال الحالة [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]و [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] و[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] ، وهم كما نعلم لهم خاصية التفاضل الكامل.
N كمية الجزيئات أو عدد الجزيئات ،
V حجم النظام.
أخذنا في اعتبارنا حتى الآن وجود نوع واحد من المادة في النظام ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]). فإذا كان النظام يحتوي على عدة مواد ، فنستطيع صياغة المعادلة لتلك الحالة العامة على النحو التالي:
الطاقة الداخلية [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] والمتغيرات المتعلقة بها : الإنتروبيا [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة], والحجم [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] وعدد الجزيئات [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة], كلهم دوال للحالة. وتتغير الطاقة الداخلية تناسبيا مع تغير دالتي الحالة S و V. ونرمز لثابت التناسب بالحرف [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة].
بالتعويض عن ذلك نحصل على :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
حيث :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]) : عدد الجزيئات من النوع [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة].
وتسمى تلك المعادلة "معادلة متجانسة من الدرجة الأولى".
وبتطبيق نظرية أويلر على القانون الأول للديكاميكا الحرارية نحصل على معادلة أويلر للطاقة الداخلية:^[4]
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
في الكيمياء في حالة غاز مثالي ينطبق التوزيع المتساوي للطاقة الداخلية على جميع درجات الحرية للجزيئات ونصيب كل منها يبلغ [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة].
وبافتراض أن النظام عبارة عن غاز مثالي له 3 درجات حرية ويحتوي على العدد [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] من الجزيئات ، نحصل على :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
أو باعتبار [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] عدد مولات الغاز المثالي في النظام
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
حيث :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] ثابت بولتزمان,
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] ثابت الغاز المثالي
اصطلاحات :
إذا اكتسب النظام حرارة من الخارج تكون [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] موجبة الإشارة ،إذا أدى النظام شغل [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] تكون [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] أيضا موجبة الإشارة ,
ينتج من ذلك أن الطاقة الداخلية [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] تزداد كلما زادت [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] أو [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] أو زادت كلتاهما. وبالعكس ، تقل الطاقة الداخلية بانخفاض [كمية حرارة] النظام أو بتقليل الشغل .

توازن الطاقة في العملية الدورية[عدل]

[/rtl][/size][size][rtl]
كما هو مبين في الشكل ، يـُمد وسيط العمل بالحرارة من أعلى (أحمر) ، وينتج عنه تشغيل التوربين وأداء شغل وكذلك باقي حرارة (أسفل بالأزرق) ، ثم يعود وسط العمل للتسخين من ثانيا وبذلك تبدأ العملية من جديد .
ونظرا لعودة وسيط العمل (الغاز أو البخار) خلال العملية الدورية إلى وضعها الأول فهذا يسهل لنا حساب موازنة الطاقة لعدم حدوث تغيرات في دوال الحالةللنظام ، وتبقى فقط دالتي الحرارة والشغل.
وكما سوف نعرفه من القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يمكن تحويل كل الحرارة التي يستمدها النظام إلى شغل بأكملها ، وإنما تـُفقد جزء من الحرارة الداخلة وتخرج مع العادم.
أي أن معادلة موازنة الطاقة يمن كتابتها كالآتي:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
حيث W الشغل و[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] الفرق بين حرارة الإمداد وحرارة العادم .
ويشمل التكامل الدائري هنا مجموع كميات الحرارة المتدفقة. ويرمز للحرارة التي تدخل النظام بإشارة موجبة ، ويرمز للحرارة الخارجة بإشارة سالبة. وتشكل [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] كمية "الشغل " التي أداها النظام خلال الدورة. وهو يكون سالب الإشارة عندما ينتج خلال الدورة.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة],
وتسمى تلك المعادلة أحيانا معادلة التحول الحراري. وفيها نرى بوضوح كمية الحرارة الداخلة [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] إلى النظام والحرارة الخارجة [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة].
بذلك يمكن حساب كفاءة دورة حرارية لآلة :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة][/rtl][/size]