تاريخ الديناميكا الحرارية: من ستيام إنجينز إلى نظم الطاقة الحديثة

عالم جديد

إن تاريخ الديناميات الحرارية ليس مساراً خطياً من الجهل إلى التنوير بل هو تدفق مُتَبَلَّم من الضرورة العملية، والتحري الفلسفي، والتجارب المتردية، وقبل أن تصبح كلمة " الطاقة " مُتَعَدَّدة، تُبَتَرَت المجتمعات البشرية بتحول الحرارة إلى حركة مفيدة، وتبدأ القصة بتغيُّر المُسُرَبُ، وارتُها، وتُتُتُتَتَتَتْتَتَتْتَتَتَتَتَتْتْتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتْتْتَتَتْتْتَتَتَتَتْتْتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتْ بَتَتَتَتَتَتْ بَتَتَتَتَتَتْ بَتَتْ بَتَتَتَتَ

"أحجام الـ "ثيرموديناميك" من النار إلى "ستيام

وقد خضع الفيلسوف اليونانيون للاختبارات المتعلقة بطبيعة الحرارة، حيث كان يعاملونها في كثير من الأحيان كأحد العناصر الأربعة، ففيما يتعلق بملايين السنين، ظل أفضل مصدر للطاقة الميكانيكية قائما على العضلات أو الرياح أو المياه التدفقية، وكان اختراع محرك البخار في الغلاف الجوي الذي قام به توماس نيوكومدن في عام 1712 نقطة تحول.

نظرية كالوريك وقضيتها

وعلى مدى القرن الثامن عشر، كان التفسير المهيمن للحرارة هو نظرية السعر الحراري، التي تُحتل من قبل شركة Antoine Lavoisier، وكان الحاسبة على أنها سائل غير مرجح ومرن ومليئ بالكهرباء، وهو ما أدى إلى حدوث تغيرات في درجة الحرارة، وفي بعض الحالات إلى أداء العمل كما لو كان ماء فوق العجلة، وقد يكون النظرية مسؤولة عن السلوك الحرفي بل عن العمل المتحرك.

صادي كارنو ومهندسة الشفاء

وقد أصبح كتاب " كارنو " (HLT:0) يشير إلى قوة النار المتحركة ([FLT:]) وطرح مسألة ذات أهمية عملية ونظرية: ما هي أقصى كفاءة يمكن للمحرك أن يحققها عند تحويل الحرارة إلى عمل؟ وعلى الرغم من أن كارنو لا يزال يعتقد أن الحرارة سائل قابل للتدمير ينتج عنه عمل من ارتفاع درجة الحرارة إلى أدنى.

صياغة القوانين الأساسية

وبحلول الأربعينات، كانت الملاحظات المتناثرة تُجمع في إطار متماسك، واستوعب الفيلسوف الطبيعيون في عدة بلدان بصورة مستقلة أن العمل الحر والميكانيكي هو شكل من أشكال أكثر أهمية من حيث الطاقة، وهذا الاعتراف وضع القانون الأول، وفي الوقت نفسه، أدت انعكاسات كارنو على قوة الدافع ومحركات البخار إلى وضع قانون ثان يقيد التحولات التي يمكن أن تحدث في الواقع في القانون الرسمي الصفري.

القانون الأول: حفظ الطاقة

The German doctor Julius Robert von Mayer, watch sailors bleeding in the tropics, observed that venous blood was unusually red, suggests lower oxygen consumption in a warm climate; he reasoned that the body must produce heat from chemical energy, and that this heat could be converted intoميكانيكيal work. In 1842 he published a paper estimal equivalent of heat.

القانون الثاني وقضية السهر

ورغم أن الطاقة لا يمكن أن تخلق أو تدمر، فإن جميع عمليات التحول في الطاقة لا يمكن عكسها، فالحجر الساخن يبرد إلى محيطه، ولكنه لا يتردد أبداً عن غيره من خلال الدفء من أرض باردة، كما أن رودولف كلوسيوس، وهو فيزيائي ألماني، قد صاغ القانون الثاني في عام 1850: " لا يمكن أن تمر التركيبة من جسم أكثر برودة إلى جسم أكثر دفئاً دون تغيير آخر، وهو ما يحدث في وقت لاحق " .

The Zeroth and Third Laws

وبعد ذلك بوقت طويل، تم تدوين قانونين إضافيين لإخراج الهيكل المنطقي، وينص قانون زرoth ] على أنه إذا كان كل نظامين في التوازن الحراري مع نظام ثالث، فإنهما في حالة توازن مع بعضهما البعض، ويوفران الأساس لقياس درجة الحرارة.

الديناميكا الحرارية والثورة الصناعية

وقد ارتبطت محرك البخار، بعد تحسين واط، بالتطبيق المنهجي للمبادئ الجديدة، وعلم المهندسون تصميم مغليات عالية الضغط، وزجاجات التوسع المركبة، وأجهزة الصمامات المتطورة، وكلها كانت مدركة لحدود كارنوت.

التبريد ومضخات الحرارة

ومن أكثر التطبيقات اناقة للقانون الثاني هو المضخة الحرارية وابن عمها المقرب، المبرد، إذ يرغم سائل العمل على التهرب من درجة حرارة منخفضة وكثافة أعلى، يمكن للآلة أن تضخ حرارة على خريجها الطبيعي، وقد قام رواد مبكرون مثل كارل فون ليند وجيكوب بيركنز ببناء أول آلات التبريد العملية، مما أدى إلى إحداث ثورة في حفظ الأغذية، وعمليات كيميائية.

توسيع الأفق: الكهرباء، والاحتراق، والطاقة النووية

وفي أواخر القرنين التاسع عشر والعشرين، شهدت الألياف الحرارية مداها إلى أبعد من البخار، حيث ينتج محرك الاحتراق الداخلي، بعد دورات صممها نيكولاس أوتو وديزل، الوقود المحروق مباشرة في إطار دورة الوقود الحراري، ويوفر مفاعلاً مدمجاً وقوياً للسيارات والطائرات والآلات المحمولة.

ظواهر حرارة جيبز وجبهة الكيماويات

وفي حين أن الديناميات الحرارية التقليدية تركز على الحرارة والعمل، فإن الفيزيائي الأمريكي Josiah Willardغيبز قد وسع نطاق الإطار ليشمل الكيمياء والمواد، وقد وضع مفهومه لـ الطاقة الخالية - التي تسمى الآن الطاقة الحرة - يتوقع وجود ضغط كيميائي محتمل

الميكانيكيون الإحصائيون والباس الميكروسكوب

ويصف الشكل التقليدي للنظم الجامحة التي تنطوي على عدد قليل من المتغيرات الكلية - الضغط، الحجم، درجة الحرارة - دون الإشارة إلى الجسيمات الأساسية.

Modern Energy Systems and Sustainability

اليوم، تشكل مبادئ الديناميكا الحرارية أساساً عملياً لكل تكنولوجيا تجني الطاقة أو تحوّلها أو تخزينها أو تستخدمها، وتُركّز النباتات الحرارية الشمسية ضوء الشمس على دفع التربينات البخارية؛ وتُحوّل الخلايا الفولطية الطاقة الإشعاعية مباشرة إلى الكهرباء، وإن كانت مُلزَمة أيضاً بالحد الأقصى من كفاءة الحرارة (حد أقصى من السائل المحتوي على الزئبق).

دورات أشعة متطورة

وتتواصل البحوث في دورات متقدمة تعد بزيادة الكفاءة وتدني الأثر البيئي. Supercritical carbon dioxide Brayton cycles] تعمل فوق النقطة الحرجة من ثاني أكسيد الكربون، التي توفر آلية توربوميا، وإمكانية الاندماج مع القوى الشمسية المركزة أو المفاعلات النووية الجيل القادم.

غير التوازن الديناميكية الحرارية ومستقبل الحدود

وفي الوقت نفسه، فإن هذه النظم التقليدية التي تُستخدم في مجال التقلبات الحرارية، تُظهر أن النظم المُغلقة تُخفى على الدول المستقرة، ولكن الحياة نفسها بعيدة عن ظاهرة التوازن، وأن العمل في القرن العشرين الذي يُضطلع به في إطار نظم لارس أونسابر، وشركة إيليا بريغوين، قد يُحدث الآن غير المتوازنية الحرارية .

The Continuing Evolution of Thermodynamics

ومن محركات الشعاع العشائري في كورنوال إلى الرقائق الصامتة التي تبرد مراكز البيانات، فإن تاريخ الديناميات الحرارية هو سجل للفضول البشري والحركة لتحويل البصيرة الأساسية إلى قوة عملية، وتثبت القوانين المصاغة في عصر البخار أن كل زاوية من مجالات علوم الطاقة، وتدل التحديات التي تواجه اليوم على تطهير نظام الطاقة العالمي، وتقويم علم الأرض، وتفسيرها الحقيقي.