مفهوم الحرارة

بعد أنْ اخترع جيمس واط الآلة البخاريَّة في مطلع القرن الماضي والتي تُستخدم فيها الطاقة الحراريَّة لتوليد طاقة حركة ميكانيكية، وُلدت الحاجة لدراسة مدى تأثر خصائص نظامٍ ما بالحرارة. الديناميكا الحراريَّة هي فرع الفيزياء المعنِّي بدراسة خصائص المادة الماكروسكوبيَّة (ككل) تحت تأثير الحرارة دون النظر إلى خصائصها الميكروسكوبيَّة (التفصيليَّة). وككل أفرع الفيزياء فإنَّ الديناميكا الحراريَّة مبنيَّة على قواعدَ مستقاةٍ من التجربة العلميَّة المخبريَّة، ويُمكن بفضل هذا العلم اشتقاق علاقات بين كميات فيزيائيَّة كمعاملات التمدد والإنضغاطيَّة والسعة الحراريَّة النوعيَّة ومعاملات المغناطيسيَّة والعازليَّة للمواد ومدى تأثرها بالحرارة. تُنبئنا هذه المبادئ أيضاً أي العلاقات الواجب الحصول عليها مخبرياً لتحديد خصائص نظام ما. وقبل الدخول في صُلب الموضوع لا بُدَّ من التعرض لمفهوم الحرارة كما نعرفه الآن. تماماً كما قنّن الإنسان مفهوم القوة بقياسه لمقدارها فلقد أُضطر لعمل أجهزة قياس لتحديد مدى كون جسمٍ ما حاراً أو بارداً أو فاتراً وابتدع موازين الحرارة.

يُمكننا القول أنَّ مبادئ الديناميكا الحراريَّة تُلخَّص في 3 (أو 4) قوانين نتيجتها الأولى والأخيرة أنَّ الحرارة طاقة داخلية. يتعلق القانون رقم 1 والمسمَّى "القانون الصفِّري" The Zerorh Law بمفهوم درجة الحرارة، في حين أنَّ القانون رقم 2 ويُدعى "القانون الأول في الديناميكا الحراريَّة" هو تعميم لمبدأ حفظ الطاقة ليستوعب الحرارة كطاقة ويُمكننا هذا القانون من إدخال مفهوم الطاقة الداخليَّة. يُدخل "القانون الثاني في الديناميكا الحراريَّة" (وترتيبه رقم 3) مفهوم الإنْتروبي وهي متغير يسمح بتقدير قيمة الطاقة المُهدرة في نظامٍ ما وينصُّ في إحدى صيغه على استحالة عكس أيَّة ظاهرة في الطبيعة وفي صيغة أُخرى على مدى كفاءة نظامٍ ما في تحويل الحرارة إلى شغل (أي إلى طاقة). ويتعلق القانون الثالث في الديناميكا الحراريَّة بالأنظمة الخاضعة لتأثيرات تُقربَّها من الصفر المطلق.