أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية
تصنّف الأنظمة في الديناميكا الحرارية إلى ثلاثة أنواع رئيسية استنادًا إلى خصائصها المتنوعة، فيما يلي تفاصيل هذه الأنظمة:
النظام المفتوح
النظام المفتوح (بالإنجليزيّة: open system) هو النظام الذي يتيح تبادل كلا من الطاقة والمادة مع البيئة المحيطة. ومن الأمثلة الشائعة على هذا النوع هو موقد الطهي، حيث يمكن رؤية خروج الحرارة وبخار الماء إلى المحيط، مما يجعل هذا النظام مفتوحًا.
النظام المغلق
يعرّف النظام المغلق (بالإنجليزيّة: closed system) بأنه النظام الذي يسمح بتبادل الطاقة فقط مع البيئة دون تبادل المادة. مثال على هذا هو استخدام غطاء محكم أثناء تشغيل الموقد، حيث يتم نقل الحرارة فقط إلى المحيط الخارجي، في حين تبقى كمية المادة ثابتة داخل النظام.
النظام المعزول
النظام المعزول (بالإنجليزيّة: isolated system) هو نظام لا يتأثر بالبيئة المحيطة به، حيث لا يتم تبادل أي من المادة أو الطاقة. من الصعب العثور على نظام معزول مثالي، لكن يمكن اعتبار صندوق تبريد المشروبات مثالاً عمليًا على ذلك. فهو يعمل بغطاء يحد من تبادل الطاقة مع البيئة، ورغم إمكانية تبادل الطاقة بين المحتويات الداخلية، فإن التبادل مع المحيط الخارجي يكون ضئيلاً للغاية.
هل يُعتبر جسم الإنسان نظامًا مغلقًا أم مفتوحًا؟
بعد التعرف على الأنظمة الديناميكية الحرارية، يُطرح السؤال حول ما إذا كان جسم الإنسان يعتبر نظامًا مفتوحًا أو مغلقًا. الإجابة هي أن جميع الكائنات الحية تُعتبر أنظمة مفتوحة، حيث يتم تبادل الطاقة والمادة باستمرار مع البيئة المحيطة. فمثلاً، عند ممارسة مجهود بدني يتسبب ذلك في خروج الزفير وإطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي، مما يدل على وجود تبادل للطاقة والمادة مع البيئة.
ما هي الديناميكيا الحرارية؟
تُعرّف الديناميكا الحرارية (بالإنجليزيّة: Thermodynamics) بأنها أحد فروع الفيزياء التي تدرس الطاقة وأعمال الأنظمة، إضافة إلى تناول تحولات الطاقة الحرارية (بالإنجليزيّة: Thermal energy) بين أشكال الطاقة المختلفة وكيف يؤثر ذلك على الأنظمة. بدأت دراسة الديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر عندما بدأ العلماء في اكتشاف كيفية بناء وتشغيل المحركات البخارية. من الجدير بالذكر أن الطاقة الحرارية هي الطاقة المخزنة في المادة نتيجة لدرجة حرارتها، مما يعني الطاقة الناتجة عن حركة الجزيئات أو اهتزازاتها.
تعريف النظام في الديناميكا الحرارية
يمكن تعريف النظام الديناميكي الحراري كجزء من الكون يطرأ عليه تغييرات معينة. بينما تعبر المناطق المحيطة بالنظام الديناميكي الحراري عن باقي الكون، وبالتالي يمكن التعبير عن العلاقة بين النظام الديناميكي المحيطي والكون كما يلي:
الكون = نظام + محيط.
