هو نظام التوازن الحراري: 7 حقائق يجب أن تعرفها


التوازن الحراري هو حالة نظام ومحيط ليكون في حالة توازن درجة الحرارة. في هذه المقالة ، سنناقش كيف يكون التوازن الحراري نظامًا.

يميل كل كائن إلى الحصول على حالة توازن حراري عن طريق إصدار حرارته الداخلية في المناطق المحيطة أو عن طريق الحصول على الحرارة من البيئة المحيطة. التوازن الحراري هو نظام عندما يكون النظام في حالة معزولة.

ما هو التوازن الحراري؟

التوازن الحراري هو حالة نظام يصل إلى نقطة حيث درجة حرارة النظام تتطابق مع درجة حرارة المحيط.

التوازن الحراري هو حالة يكون فيها تدفق الطاقة الحرارية من نظام إلى نقطة توقف محيطة ونظام ومحيط له درجة حرارة متساوية. تنتقل الحرارة من مستوى الطاقة المرتفع إلى منطقة درجات الحرارة المنخفضة.

إذا كان نظامان في حالة توازن حراري ، فإن الحالة الثالثة التي تتلامس مع هذين النظامين ستكون أيضًا في حالة توازن حراري. جاء ذلك في قانون Zeroth للديناميكا الحرارية.

لماذا التوازن الحراري نظام؟

يكون النظام في حالة توازن حراري عندما لا يكون هناك انبعاث للحرارة من النظام إلى المحيط ، ولا يأخذ الحرارة من البيئة المحيطة.

نظام التوازن الحراري معزول تمامًا عن البيئة المحيطة. هذا النوع من النظام لا يفقد كتلته ولكن يمكن فقط نقل الحرارة. عندما يكتسب النظام موضع التوازن الحراري ، يتوقف تدفق الحرارة.

يميل أي نظام إلى زيادة طاقته الداخلية إذا كان هناك مصدر حراري للنظام. على سبيل المثال ، عند توفير الحرارة لوعاء الماء ، ستستمر درجة حرارة الماء في الارتفاع بمرور الوقت. إذا تم إيقاف الإمداد الحراري ، فإن نفس الحجم من الماء سيصدر حرارته في المناطق المحيطة وبالتالي يبرد بمرور الوقت.

عندما يكون النظام في حالة توازن حراري؟

يكون النظام في حالة توازن حراري عندما تتطابق درجة حرارته الداخلية مع درجة الحرارة الخارجية للمحيط.

لا يوجد تدفق للطاقة من أي جانب بين النظام وما يحيط به. تظل درجة الحرارة ثابتة لكليهما. أيضًا ، لا يوجد انتقال للمادة من النظام.

يتم الاحتفاظ بالنظامين اللذين لهما اختلافات في درجات الحرارة معًا على اتصال ، ثم سيكون هناك انتقال للحرارة من النقطة الساخنة إلى نقطة درجة الحرارة المنخفضة. سيستمر تدفق الحرارة هذا حتى يكتسب كلا النظامين نفس القدر من الطاقة الحرارية الداخلية. تسمى حالة النظام هذه بحالة التوازن الحراري للنظام.

هل التوازن الحراري نظام مغلق؟

يحدث التوازن الحراري فقط في حالة الأنظمة المغلقة أو الجسمين اللذين يمكن فيهما نقل الطاقة الحرارية فقط وليس الأمر.

يتعامل التوازن الحراري بشكل أساسي مع درجة حرارة النظام وكيفية تزامنه مع المادة المحيطة. إذا كانت درجة حرارة النظام أعلى من درجة الحرارة المحيطة ، فإن المادة من البيئة المحيطة تلتقط الحرارة من النظام ، والعكس صحيح.

لكي يصل النظام إلى حالة توازن حراري ، يجب أن يكون هناك تدفق للحرارة فقط. إذا كان هناك تدفق للمادة فقط ، فإن الحرارة التي يكتسبها كل جزيء من المادة ستبقى مع كتلة المادة فقط. وإذا كان هناك تدفق للمادة والحرارة أيضًا ، فلن يتمكن أي نظام من الحصول على حالة توازن حراري.

في كل مرة تنتقل مادة جديدة إلى نظام قد يكون له درجة حرارة متغيرة مقارنة بالنظام. يستغرق النظام وقتًا للحصول على حالة التوازن من خلال تدفق الحرارة.

هل يمكن أن يحدث التوازن الحراري في نظام مفتوح؟

يسمى النظام غير المحدود بالجدران والمعزول عن المحيط بالنظام المفتوح.

الأنظمة المفتوحة غير قادرة على تحقيق حالة التوازن. في النظام المفتوح ، لا يوجد تبادل للحرارة فحسب ، بل هناك أيضًا الأمر. حجم المادة المنقولة من المحيط إلى النظام.

يمكن تبادل الحرارة بسهولة من النظام إلى المحيط في حالة وجود نظام مفتوح. لكن النظام لن يكون قادرًا أبدًا على بلوغ موضع التوازن. وذلك لأن الكتلة يتم تبادلها باستمرار من النظام إلى المناطق المحيطة ، وإلى جانب الكتلة ، تُعطى الحرارة أيضًا بعيدًا عن النظام.

المقدار الجديد من الكتلة المضافة إما يقلل من إجمالي الطاقة الحرارية للنظام أو يزيد ، وتستمر العملية. ولكن ، في بعض الأجزاء ، يلعب النظام المفتوح أيضًا دورًا رئيسيًا لإحضار النظام إلى حالة التوازن الحراري.

كيف يحدث التوازن الحراري في نظام مفتوح؟

قد يحدث التوازن الحراري في بعض السيناريوهات وعلى نطاق واسع في نظام مفتوح.

تتدفق الطاقة الحرارية دائمًا من منطقة درجة الحرارة المرتفعة إلى منطقة درجة الحرارة المنخفضة. هذه هي حقيقة أي نظام في محيط. إذا كان النظام المفتوح يحتوي على طاقة عالية مقارنةً بالنظام المحيط ، فسيتم نقل الحرارة إلى المحيط من النظام للحصول على حالة التوازن.

مثال بسيط هنا هو تبادل الهواء من مناطق درجات الحرارة المرتفعة إلى المناطق الباردة. يتدفق الهواء من منطقة إلى منطقة أخرى من خلال تبادل المادة وكذلك الطاقة الحرارية. لهذا تهب الرياح ويبرد الهواء الساخن. على العكس من ذلك ، يتم الحصول على الطاقة الحرارية أيضًا عن طريق الهواء البارد ، وهو أمر لا مفر منه للتوازن الحراري.

مثال آخر يمكننا مناقشته هنا هو احتراق الأخشاب في نار المخيم ، لنفترض. الخشب المحترق هو نظام مفتوح لأن الحرارة والكتلة غير مرتبطة بأي جدار ويمكن نقل المادة بسهولة إلى المناطق المحيطة.

هو التوازن الحراري نظام
بون فاير ، صورة الائتمان: Pixabay

يمسك الهواء المتدفق عبر نار المخيم الطاقة الحرارية وينقلها إلى المنطقة المحيطة وبالتالي تسخين الهواء في المنطقة المحيطة. تنتشر هذه الحرارة المتولدة حول نار المخيم بالحمل الحراري. يحاول النظام الحصول على حالة التوازن الحراري من خلال انبعاث الطاقة الحرارية الناتجة عن احتراق الخشب في المناطق المحيطة.

كيف تجد التوازن الحراري لنظام؟

لإيجاد التوازن الحراري لنظام ما ، نحتاج إلى النظر في معدل تدفق الحرارة والكتلة والحرارة النوعية للمادة.

النظام الذي يصل إلى حالة التوازن الحراري يكون فقط من خلال تدفق الطاقة الحرارية الموجودة معه. ومن ثم ، فإن معدل تدفق الحرارة يحدد الوقت اللازم لإحضار النظام إلى حالة التوازن الحراري.

في النهاية ، عندما لا يكون هناك تبادل للحرارة ويتوقف التدفق ، يقال إن النظام في حالة توازن.

لنفترض أن لدينا وعاءين مغلقين ، إحداهما ساخنة والأخرى باردة في درجة الحرارة. يتم الاحتفاظ بكلتا الحاويات على اتصال وثيق مع بعضهما البعض. يحدث تدفق الحرارة من الحاوية الساخنة إلى الحاوية الباردة. وبالتالي ، فإن الطاقة الحرارية المفقودة من الحاوية الساخنة ستكون مساوية للطاقة الحرارية المكتسبة من الحاوية الباردة. هذا هو،

Qضائع=Qربح

يتم إعطاء الطاقة الحرارية بواسطة الصيغة على النحو التالي:

س = mcΔT

هنا ، Q هي الطاقة الحرارية ،

ج هي سعة حرارية محددة ، و

م كتلة ،

ΔT هو تغير في درجة الحرارة بسبب تدفق الطاقة الحرارية من نظام إلى آخر.

إذا انخفضت درجة حرارة النظام عن درجة حرارته الأولية ، فسيكون معدل الطاقة الحرارية سالبًا مما يشير إلى فقدان الحرارة. بينما ، إذا كانت درجة الحرارة النهائية للنظام أكثر من درجة الحرارة الأولية ، فهذا يدل على الطاقة الحرارية التي يكتسبها النظام.

ما درجة حرارة التوازن الحراري لـ 20 جرامًا من رقائق الألومنيوم التي يتم تسخينها عند درجة حرارة 70 0C وتحفظ في دورق يحتوي على 50 جرام من الماء في درجة حرارة الغرفة؟

معطى: كتلة رقائق الألومنيوم م = 20 جرامًا.

كتلة الماء في الدورق M = 50 جرامًا.

درجة حرارة رقائق الألومنيوم ، T1= 700C

درجة حرارة الماء ، T2= 270C

السعة الحرارية النوعية للماء هي ، جw= 1 كالوري / غرام0c

السعة الحرارية النوعية للألمنيوم ،

ستكون الحرارة المكتسبة من الماء مساوية للحرارة المفقودة بواسطة رقائق الألومنيوم.

بالتالي،

-Qالألومنيوم=Qماء

باستبدال القيم في هذا التعبير ، نحصل على:

بالتالي، درجة الحرارة التي ستكون عندها رقائق الألومنيوم والماء في حالة توازن حراري هي 30.40C.

في الختام

التوازن الحراري للنظام هو حالة تتطابق فيها درجة حرارة النظام مع درجة حرارة النظام. تسمى درجة الحرارة هذه بدرجة حرارة التوازن الحراري. عند درجة الحرارة هذه ، لا يوجد تدفق حراري من النظام إلى المناطق المحيطة.

أكشيتا ماباري

مرحبًا ، أنا أكشيتا ماباري. لقد حصلت على ماجستير. في الفيزياء. لقد عملت في مشاريع مثل النمذجة العددية للرياح والأمواج أثناء الإعصار ، وفيزياء اللعب وآلات التشويق الآلية في مدينة الملاهي على أساس الميكانيكا الكلاسيكية. لقد تابعت دورة تدريبية حول Arduino وأنجزت بعض المشاريع الصغيرة على Arduino UNO. أحب دائمًا استكشاف مناطق جديدة في مجال العلوم. أنا شخصياً أعتقد أن التعلم يكون أكثر حماساً عندما يتعلم بالإبداع. بصرف النظر عن هذا ، أحب القراءة ، والسفر ، والعزف على الجيتار ، وتحديد الصخور والطبقات ، والتصوير ، ولعب الشطرنج. اتصل بي على LinkedIn - LinkedIn.com/in/akshita-mapari-b38a68122

آخر المقالات