ترمودینامیک چیست؟ - آموزش علم و قوانین به زبان ساده
۲۴۲۲۱ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۳ دی ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۵۰ دقیقه
                                                                                             دانلود PDF مقاله

ترمودینامیک موضوعی است که در فیزیک، شیمی، مهندسی و بسیاری از درس‌های دانشگاهی مطالعه می‌شود، زیرا اثر قابل‌توجهی بر ماده و انرژی دارد. در نگاه نخست، درک و یادگیری مفهوم ترمودینامیک غیرممکن به نظر می‌رسد. اما اگر وقت و زمان لازم برای درک مفاهیم پایه این شاخه از علم صرف شود، یادگیری آن دور از انتظار نخواهد بود. ترمودینامیک در ابتدا از سه قانون اصلی تشکیل شده بود، اما بعدها و با پیشرفت آن، قانون بنیادی دیگری نیز، به نام قانون صفرم ترمودینامیک، به آن اضافه شد. در این مطلب، ابتدا به پرسش ترمودینامیک چیست به زبان ساده پاسخ می‌دهیم. سپس در مورد قانون‌های صفرم، اول، دوم و سوم ترمودینامیک و شاخه‌های مختلف آن صحبت می‌کنیم.
فهرست مطالب این نوشته
ترمودینامیک چیست ؟
تفاوت مکانیک و ترمودینامیک چیست ؟
قوانین ترمودینامیک چیست ؟
شاخه‌ های ترمودینامیک چیست ؟
کاربردهای ترمودینامیک در زندگی روزمره چیست ؟
بهترین کتاب‌ های ترمودینامیک چیست ؟
پرسش های رایج در مورد ترمودینامیک
جمع‌بندی


ترمودینامیک چیست ؟
ترمودینامیک شاخه‌ای از فیزیک است که در مورد گرما، کار، دما و رابطه آن‌ها با انرژی، تشعشع و ویژگی‌های فیزیکی ماده مطالعه می‌کند. کلمه ترمودینامیک از دو بخش ترمو و دینامیک تشکیل شده است. ترمو به معنای گرما یا انرژی و دینامیک به معنای انتقال گرما یا انرژی است. بنابراین، در این شاخه از علم در مورد رابطه بین چگونگی انتقال گرما یا انرژی از نقطه‌ای به نقطه دیگر صحبت می‌کنیم. ترمودینامیک موضوعی است که در فیزیک، شیمی و مهندسی مطالعه می‌شود.
دانشمندان سوالات زیادی در مورد مفاهیم اولیه انتقال گرما داشتند و پاسخ بسیاری از سوالات مطرح شده را نمی‌دانستند. به عنوان مثال، چگونگی گرم یا سرد شدن مواد و مفهوم دما را نمی‌توانشتند به خوبی توضیح دهند. حتی در سال‌های بسیار دور راه مناسبی برای اندازه‌گیری دما وجود نداشت. گالیله و نیوتن تلاش بسیاری برای یافتن راه مناسبی برای اندازه‌گیری دما کردند، اما موفق نبودند.

فیلم آموزش ترمودینامیک ۱ - جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس
کلیک کنید
 
سرانجام، «گابریل فارنهایت» (Gabriel Fahrenheit)‌ در قرن هجدهم میلادی توانست دما را اندازه بگیرد، اما توضیح مناسبی برای چرایی گرم یا سرد شدن مواد نیافت. دانشمندان زیادی، مانند «آنتونی لاوازیه» (Antonie Lavoisier) تلاش کردند تا چرایی این موضوع را توضیح دهند. او از نظریه کالری برای توضیح انتقال گرما یا حرارت استفاده کرد. بر طبق این نظریه، گرما به صورت اِتِر یا مایعی بی‌رنگ منتقل می‌شود.
لاوازیه بیان کرد که گرما یا حرارت از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود. گرچه لاوازیه این نظریه را قبول داشت، اما مفهوم آن اشتباه بود. در حقیقت، در قرن ۱۸ میلادی از اتر برای توضیح بسیاری از پدیده‌های ناشناخته استفاده می‌شد. نظریه‌های اترِ زیادی وجود داشتند که با یکدیگر متناقض بودند. تعداد زیادی از مهندسان، شیمی‌دان‌ها، فیزیک‌دان‌ها و ریاضی‌دان‌ها در سراسر جهان تلاش کردند تا فیزیک حاکم بر گرما و حرکت را به‌دست آورند.
فارنهایت
پس از توضیح ساده بالا و بعد از اینکه فهمیدیم ترمودینامیک چیست شاید این پرسش برایتان مطرح شود که این شاخه از فیزیک چه تفاوتی با مکانیک کلاسیک دارد. در ادامه، به این پرسش پاسخ می‌دهیم. ترمودینامیک یکی از شاخه‌های مهم رشته فیزیک است. برای موفقیت در این رشته باید با این بخش به خوبی آشنا باشید. بنابراین، با مراجعه به مجموعه آموزش ترمودینامیک درس، تمرین، حل مثال و تست فرادرس و تماشای فیلم‌های آموزشی مرتبط می‌توانید با خیالی راحت از یادگیری مفاهیم پایه و پیشرفته مطمئن شوید.
تفاوت مکانیک و ترمودینامیک چیست ؟
تا اینجا می‌دانیم ترمودینامیک چیست. دانستن تفاوت این شاخه از فیزیک با مکانیک، خالی از لطف نیست. در فیزیک مکانیک، تنها روی حرکت ذرات و اجسام، تحت‌تاثیر نیروها و گشتاورها، تمرکز می‌کنیم. در مقابل، ترمودینامیک در حالت کلی تنها روی حرکت سیستم تمرکز نمی‌کند. در واقع، ترمودینامیک تنها به حالت ماکروسکوپی داخلی جسم توجه می‌کند.



فیلم آموزش فیزیک - پایه دوازدهم در فرادرس
کلیک کنید
 
جدول زمانی ترمودینامیک چیست ؟
مخترعی انگلیسی به نام «توماس نیوکامن» (Thomas Newcomen) در سال ۱۷۱۲ میلادی موتور بخار بهبودیافته را اختراع کرد. در حدود ۷۶ سال بعد و در سال ۱۷۹۸ میلادی، فیزیک‌دانی به نام «کانت رامفورد»‌ (Count Rumford) آزمایش‌هایی در مورد تبدیل کار به گرما انجام داد. در سال ۱۸۲۴ میلادی، کارنو مقاله‌ای تحت‌ عنوان، انعکاس نیرو محرکه آتش، چاپ کرد. در سال‌های بین ۱۸۴۰ تا ۱۸۵۰ میلادی دانشمندانی مانند «مِیِر» (Mayer)، «ژول» (Joule)‌ و «هلمهولتز» (Helmholtz) هر کدام جداگانه جداگانه به اصل پایستگی انرژی رسیدند. ده سال بعد، «کلازیوس» (Clausius) قانون دوم ترمودینامیک را فرمول‌بندی کرد.

اکنون می‌دانیم ترمودینامیک چیست و چه تفاوتی با مکانیک کلاسیک دارد. در ادامه، در مورد قانون‌های ترمودینامیک صحبت می‌کنیم.
قوانین ترمودینامیک چیست ؟
پس از پاسخ به پرسش ترمودینامیک چیست، در مورد قوانین آن صحبت می‌کنیم. ترمودینامیک از چهار قانون تشکیل شده است:

• قانون صفرم ترمودینامیک
• قانون اول ترمودینامیک
• قانون دوم ترمودینامیک
• قانون سوم ترمودینامیک

قبل از صحبت در مورد قانون‌های ترمودینامیک، ابتدا کمی در مورد سیستم‌ها و فرایندهای ترمودینامیکی صحبت می‌کنیم.

فیلم آموزش ترمودینامیک ۲ - مرور و تست کنکور ارشد در فرادرس
کلیک کنید
 
تعریف سیستم در ترمودینامیک چیست ؟
سیستم ترمودینامیکی قسمتی از جهان است که ویژگی‌های ترمودینامیکی آن برای ما جالب به نظر می‌رسد. به بیان دیگر، سیستم ترمودینامیکی قسمتی از جهان است که برای مطالعه مستقیم خواص ترمودینامیکی انتخاب می‌شود. سیستم‌های ترمودینامیکی به سه دسته تقسیم می‌شوند:

• سیستم باز
• سیستم بسته
• سیستم ایزوله یا منزوی

سیستم ترمودینامیکی
سیستم باز در ترمودینامیک چیست ؟
ظرف بدون درپوشی را در نظر بگیرید که با آب پر شده است. در سیستم باز، جرم یا در حالت کلی ماده می‌تواند به داخل یا خارج سیستم جریان داشته باشد. به عنوان مثال، در ظرف پر شده از آب و بدون درپوش، اکسیژن به راحتی می‌تواند به وارد سیستم یا از آن خارج شود. حالت مشابهی نیز برای انرژی، مانند انرژی گرمایی یا نورانی، برقرار است. در نتیجه، در سیستم ترمودینامیکی باز، ماده و انرژی می‌توانند به سیستم وارد یا از آن خارج شوند.



فیلم آموزش مبانی ترمودینامیک (رایگان) در فرادرس
کلیک کنید
 

سیستم بسته در ترمودینامیک چیست ؟
در این حالت، سیستم مهروموم شده است. بنابراین، ماده یا جرم نمی‌تواند به سیستم وارد یا از آن خارج شود. به عنوان مثال، گاز اکسیژن در هوا وارد سیستم بسته ترمودینامیکی نخواهد شد. اما، انرژی گرمایی می‌تواند به سیستم بسته ترمودینامیکی وارد یا از آن خارج شود. از این‌رو، سیستم بسته ترمودینامیکی در مقابل گرما ایزوله نیست.

سیستم ایزوله یا منزوی در ترمودینامیک چیست ؟
در این حالت، سیستم ترمودینامیکی به خوبی ایزوله شده است. در سیستم ایزوله همانند سیستم بسته، ماده نمی‌تواند به سیستم وارد یا از آن خارج شود. به عنوان مثال، اگر ظرف حاوی آب را به خوبی ایزوله کنیم، اکسیژن هوا نمی‌تواند به داخل آن نفوذ کند. علاوه بر ماده، در سیستم‌های ایزوله ترمودینامیکی، گرما نیز نمی‌تواند به سیستم وارد یا از آن خارج شود.

• نکته ۱: در سیستم‌های ترمودینامیکی باز، ماده و انرژی می‌توانند به سیستم وارد و از آن خارج شوند.
• نکته ۲: در سیستم‌های ترمودینامیکی بسته، ماده نمی‌تواند به سیستم وارد یا از آن خارج شود. سیستم‌های بسته در مقال عبور انرژی ایزوله نیستند.
• نکته ۳: در سیستم‌های ترمودینامیکی ایزوله یا منزوی، انرژی و ماده نمی‌توانند به سیستم وارد یا از آن خارج شوند.

۳ نکته بالا در جدول زیر به صورت خلاصه آمده‌اند.

نوع سیستم	جریان جرم	کار	گرما
سیستم ایزوله	×	×	×
سیستم باز	✓✓	✓✓	✓✓
سیستم بسته	×	✓✓	✓✓

همان‌طور که در جدول بالا دیده می‌شود در سیستم‌های باز و بسته، علاوه بر آن‌که گرما می‌توان به سیستم وارد یا از آن خارج شود، سیستم یا محیط اطراف به ترتیب می‌توانند روی محیط اطراف یا سیستم کار انجام دهند. تا اینجا می‌دانیم ترمودینامیک چیست و سیستم‌های ترمودینامیکی به چند دسته تقسیم می‌شوند. قبل از بیان قوانین ترمودینامیک، لازم است با فرایندهای ترمودینامیکی و دو مفهوم گرما و دما نیز آشنا شویم.

مطلب پیشنهادی:
 سیستم ترمودینامیکی - به زبان ساده
 
اکنون می‌دانیم تعریف سیستم در ترمودینامیک چیست و چند نوع سیستم داریم. در ادامه، در مورد فرایندهای ترمودینامیکی صحبت می‌کنیم.
فرایند در ترمودینامیک چیست ؟
سیستمی مشخص هنگامی تحت فرایند ترمودینامیکی قرار می‌گیرد که در آن مقداری تغییر انرژی وجود داشته باشد. این تغییر انرژی با تغییرات فشار، حجم و انرژی درونی همراه است. فرایندهای ترمودینامیکی به چهار دسته تقسیم می‌شوند. هر دسته ویژگی‌های منحصر به‌ خود را دارد:

• فرایند بی‌درو یا آدیاباتیک: در این فرایند، هیچ گرمایی به سیستم وارد یا از آن خارج نمی‌شود. توجه به این نکته مهم است که در فرایند بی‌درو، تبادل گرمایی به هنگام انبساط یا انقباض سیستم، برابر صفر خواهد بود. این فرایند می‌تواند برگشت‌پذیر یا برگشت‌ناپذیر باشد. شرایط زیر برای رخ دادن این فرایند ضروری هستند:

•  
  1. سیستم باید به طور کامل از محیط اطراف خود جدا شده باشد.
  2. فرایند باید سریع انجام شود تا زمان کافی برای انتقال گرما وجود نداشته باشد.

به عنوان مثال، تراکم گاز داخل سیلندر موتور به اندازه‌ای سریع رخ می‌دهد که در مدت زمان تراکم، مقدار انرژی تولید شده داخل سیستم کمینه باشد.

• فرایند هم‌حجم: در این فرایند تغییر حجم سیستم و در نتیجه کار انجام شده برابر صفر خواهد بود. به فرایند هم‌حجم، فرایند ایزومتریک یا حجم ثابت نیز گفته می‌شود. ثابت ماندن حجم به معنای برابر بودن حجم سیستم در آغاز و پایان فرایند است:

Vf=Vi(△v=0 dv=0)Vf​=Vi​(△v=0dv=0)
از آنجا که کار انجام شده توسط سیستم در این فرایند برابر صفر است، تغییرات گرما برابر تغییرات انرژی درونی سیستم می‌شود.

• فرایند هم‌فشار یا ایزوبار: فرایند هم‌فشار، فرایندی ترمودینامیکی است که در فشار ثابت رخ می‌دهد. نام «ایزوبار» (Isobar) از کلمه‌های یونانی Iso به معنای مساوی و baros به معنای فشار گرفته شده است. فشار ثابت هنگامی به‌دست می‌آید که حجم منبسط یا منقبض می‌شود. به این ترتیب، هر تغییر فشاری به دلیل انتقال گرما، خنثی خواهد شد. در فرایند هم‌فشار، به هنگام انتقال گرما به سیستم، مقداری کار انجام می‌شود. نباید فراموش کنیم علاوه بر انجام کار، انرژی درونی سیستم نیز تغییر می‌کند. این بدان معنا است که هیچ کمیتی در قانون اول ترمودینامیک برابر صفر نمی‌شود.

• فرایند هم‌دما: فرایند هم‌دما، فرایندی ترمودینامیکی است که در دمای ثابت رخ می‌دهد. به بیان دیگر، دمای سیستم در فرایند هم‌دما ثابت می‌ماند. در واقع، انتقال گرما به سیستم یا خروج گرما از آن به اندازه‌ای آهسته انجام می‌شود که تعادل گرمایی برقرار باشد. این فرایند می‌تواند هنگامی رخ دهد که سیستم با منبع گرمایی خارجی در تماس باشد. در این حالت برای برقرار تعادل، سیستم به آهستگی و با استفاده از تبادل حرارتی، دمای خود را با دمای منبع خارجی تطبیق می‌دهد.

تا اینجا، می‌دانیم فرایندهای ترمودینامیکی و انواع آن چیست. در فرایندهای ترمودینامیکی گفته شده ممکن است یکی از کمیت‌های ترمودینامیکی دما، فشار یا حجم ثابت باقی بماند و دو فرایند دیگر تغییر کنند. در هر یک از فرایندهای گفته شده، حالت نهایی سیستم با حالت اولیه آن متفاوت است. آیا ممکن است حالت‌های نهایی و اولیه سیستم با یکدیگر برابر باشند؟ بله. این حالت در فرایند چرخه‌ای رخ می‌دهد.
فرایند چرخه ای در ترمودینامیک چیست ؟
در فرایندهای چرخه‌ای، حالت اولیه سیستم با حالت نهایی آن برابر است. همان‌طور که می‌دانیم تغییرات انرژی درونی سیستم همان تابع حالت است. بنابراین، در این حالت تغییرات انرژی درونی، یعنی △U△U برابر صفر خواهد بود.

فیلم آموزش ترمودینامیک - حل سوالات کنکور ارشد و دکتری در فرادرس
کلیک کنید
 
مثال فرایند هم‌دما
نمودار فشار برحسب حجم دو فرایند هم‌دما در دو دمای متفاوت در تصویر زیر نشان داده شده است. دمای کدام فرایند بیشتر است؟

پاسخ
برای آن‌که بدانیم دمای کدام فرایند بالاتر است، به صورت زیر عمل می‌کنیم:

• ابتدا، خطی افقی و موازی محور حجم رسم می‌کنیم.
• خط افقی، خط فشار ثابت را نشان می‌دهد.
• فرض کنید V1V1​ و V2V2​ به ترتیب حجم‌های متعلق به دماهای T2T2​ و T1T1​ هستند.
• می‌دانیم در فشار ثابت، با افزایش حجم گاز، دما نیز افزایش می‌یابد.
• با توجه به نمودار نشان داده شده در تصویر زیر می‌توان گفت حجم V1V1​ بزرگ‌تر از حجم V2V2​ است. بنابراین، دمای T1T1​ نیز بزرگ‌تر از دمای T2T2​ خواهد بود.
• راه آسان‌تر دیگری نیری برای تعیین دما وجود دارد. نموداری که به مبدأ نزدیک‌تر است، دمای پایین‌تری خواهد داشت.

 دما در ترمودینامیک چیست ؟
دانشمندان دما را به صورت حرکت مولکول‌های ماده و انرژی جنبشی آن‌ها تعریف کرده‌اند. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که این تعریف تا چه اندازه دقیق است. برای پاسخ به این پرسش باید بدانیم که انرژی، صورت‌های مختلفی دارد. به عنوان مثال، نور، انرژی جنبشی خالص است، اما دما ندارد. تاکنون جایی ندیده‌ایم که دمای نور اندازه گرفته شود. شاید بگویید به هنگام خرید لامپ، روی برچسب آن دما نوشته شده است. باید به این نکته توجه داشته باشید که عدد نوشته شده دمای نور نیست، بلکه دمای فلزی است که نور را ساطع می‌کند. مفهوم دمای بدون وجود ماده هیچ معنای خارجی نخواهد داشت.

مطلب پیشنهادی:
 دما چیست ؟ - از صفر تا صد
 
هر چیزی که جرم داشته باشد، ماده نامیده می‌شود. ماده از اتم تشکیل شده است و اتم‌ها از ذرات ریزی به نام الکترون، پروتون و نوترون ساخته شده‌اند. این ذرات، انرژی جنبشی دارند. گفتیم دما، حرکت مولکول‌ها یا ذرات تشکیل‌دهنده ماده است. از آنجا که در مورد حرکت ذرات بسیار کوچک صحبت می‌کنیم، مفهومی به نام انرژی درونی مطرح می‌شود.
به انرژی درون ماده، انرژی درونی می‌گوییم. توجه به این نکته مهم است که انرژی درونی پروتون‌ها و نوترون‌ها، دما نیست بلکه جرم است. همچنین، انرژیِ پروتون‌ها و نوترون‌ها دما نیست، بلکه انرژی هسته‌ای داخل اتم را تشکیل می‌دهند. انرژی بین مولکول‌ها و اتم‌ها نیز انرژی شیمیایی است. سرانجام به انرژی جنبشی مولکل‌ها و اتم‌ها می‌رسیم. به این انرژی، انرژی گرمایی گفته می‌شود.
به این نکته توجه داشته باشید که در این تعریف، حرکتی که به دلیل حرکت مولکول‌ها ایجاد می‌شود را در نظر نگرفته‌ایم. مولکول‌های داخل ماده به اطراف حرکت می‌کنند، از نقطه‌ای به نقطه دیگر می‌روند و به دور خود می‌چرخند. تا زمانی که این حرکت‌ها بر حرکت کلی ماده تاثیر نداشته باشند، همه چیز خوب به نظر می‌رسد. اما نکته گمراه‌کننده‌ای وجود دارد.
انرژی جنبشی دریاچه‌ای نسبتا بزرگ همواره از انرژی جنبشی ما بیشتر است، اما دمای دریاچه و دمای بدن ما ممکن است با یکدیگر برابر باشند. حتی ممکن است دریاچه سردتر، اما انرژی جنبشی آن بیشتر باشد. بنابراین، دمای یکسان دو جسم به چه معنا است؟ اگر دو جسم را در کنار یکدیگر قرار دهیم، انرژی بین آن‌ها مبادله می‌شود. اگر جسمی گرم‌تر از جسم دیگر باشد، انرژی از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل خواهد شد. بنابراین، جسم گرم‌تر، سردتر و جسم سردتر، گرم‌تر می‌شود.

اجازه دهید انتقال گرما از جسم گرم‌تر به سردتر را با مثالی ساده، بیشتر توضیح دهیم. پس از حمام، بدن خود را با حوله خشک می‌کنید. آب اضافه بدن توسط حوله جذب می‌شود. قبل از جذب آب بدن توسط حوله، مکان‌هایی روی حوله برای جذب آب وجود دارند. پس آز آن‌که بیشتر آب بدن توسط حوله جذب شد، مکان جدیدی برای جذب آب بیشتر وجود ندارد و استفاده از آن حوله برای خشک کردن بدن فایده‌ای نخواهد داشت.
به این خاصیت، رطوبت گفته می‌شود. رطوبت میزان آب موجود در حوله را اندازه نمی‌گیرد، بلکه آب متوسط در هر توده پارچه‌ای را اندازه می‌گیرد. به طور مشابه، دما مقدار کل انرژی جنبشی مولکولی را اندازه نمی‌گیرد، بلکه متوسط انرژی جنبشی بر واحد مولکول را اندازه می‌گیرد.
گرما در ترمودینامیک چیست ؟
در زمستان هوای سرد و در تابستان هوای گرم را به خوبی درک می‌کنیم. اما برای داشتن درک بهتری از مفهوم ترمودینامیک، باید گرما و دما را به صورت بنیادی و در مقیاس مولکولی تعریف کنیم. در مطالب بالا با مفهوم دما آشنا شدیم. به طور حتم عبارت دما را به طور متعدد در روزهای گرم تابستان یا سرد زمستان شنیده‌اید. به هنگام صحبت در مورد گرمی یا سردی هوا یا هر جسم دلخواهی، به دمای آن توجه می‌کنیم. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که دما به صورت فیزیکی چه چیزی را اندازه می‌گیرد؟ دما مقدار انرژی گرمایی موجود برای انجام کار در سیستم را اندازه می‌گیرد.
گرما، مفهومی است که در بسیاری از موضوع‌های فیزیک، مانند ترمودینامیک، مطرح می‌شود. توجه به این نکته مهم است که مفهوم گرما تنها محدود به فیزیک نیست، بلکه در بسیاری از رشته‌های مهندسی مانند مهندسی مواد یا مهندسی هوافضا نیز از آن استفاده می‌شود. مواد مختلف از ذرات ریزی به نام مولکول تشکیل شده‌اند. این مولکول‌ها در تمام مواد، حتی مواد جامد، حرکت می‌کنند. دو مولکول نزدیک به هم را داخل ماده جامدی در نظر می‌گیریم. این دو مولکول توسط پیوند شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند.
پیوند شیمیایی بین مولکول‌های را به خوبی می‌توان توسط فنری کوچک شبیه‌سازی کرد. اگر دو ذره انرژی داشته باشند، به صورت طبیعی اطراف نقطه تعادل خود (نقطه تعادل فنر، نوسان می‌کنند. هرچه انرژی سیستم دو ذره‌ای بیشتر باشد، نوسان آن‌ها شدید‌تر خواهد بود.



فیلم آموزش فیزیک پایه دهم - فیزیک ۱
کلیک کنید
 
ذرات تشکیل‌دهنده جسم داغ، انرژی جنبشی بیشتر و ذرات تشکیل‌دهنده جسم سرد، انرژی جنبشی کمتری دارند. به رابطه زیر دقت کنید:
KE‾=32kTKE=23​kT
همان‌طور که در رابطه فوق دیده می‌شود، انرژی جنبشی متوسط ذرات داخل سیستم متناسب با دمای سیستم است. با دانستن مفهوم دما، به راحتی می‌توانیم گرما را تعریف کنیم. دو جسم A و B با دو دمای متفاوت را در نظر بگیرید.
فرض کنید دمای جسم A برابر ۲۰ درجه سانتی‌گراد و دمای جسم B برابر 80 درجه سانتی‌گراد باشد. دو جسم A و B همگن هستند و از ماده یکسانی ساخته و از بقیه جهان جدا (ایزوله) شده‌اند. از آنجا که دمای سیستم A کمتر از دمای سیستم B است، ذرات تشکبل‌دهنده سیستم A کندتر از ذرات تشکیل‌دهنده سیستم B حرکت می‌کنند. دلیل این موضوع به انرژی جنبشی کمتر ذرات جسم A برمی‌گردد. در ادامه، دو جسم را در تماس با یکدیگر قرار می‌دهیم و به مرز تشکیل شده توسط آن‌ها دقت می‌کنیم.
دو جسم در دو دمای متفاوت را نزدیک یکدیگر قرار می‌دهیم
می‌دانیم ذرات در جسم جامد نوسان می‌کنند. بنابراین، هر ذره می‌تواند به ذره مجاور خود برخورد کند. برای راحتی کار، سه ذره با شماره‌های ۱، ۲ و ۳ و به رنگ آبی را داخل جسم A و سه ذره با شماره‌های ۴، ۵ و ۶ و به رنگ قرمز را داخل جسم B قرار می‌دهیم. در مرز تماس دو جسم با یکدیگر، ذره‌های ۳ و ۴، در مجاورت یکدیگر قرار دارند. بنابراین، ذره ۴ با انرژی جنبشی بیشتر به ذره ۳ با انرژی جنبشی کمتر برخورد می‌کند.
به هنگام برخورد دو ذره با یکدیگر، مقداری از انرژی جنبشی ذره ۴ به ذره ۳ منتقل می‌شود. در این حالت می‌گوییم که ذره ۴ روی ذره ۳ کار انجام می‌دهد. انرژی جنبشی ذره ۳ پس از برخورد با ذره ۴ افزایش می‌یابد و از انرژی جنبشی ذره ۲ زیادتر می‌شود. در ادامه، ذره ۳ با ذره ۲ برخورد می‌کند. بنابراین، مقداری از انرژی جنبشی ذره ۳ به ذره ۲ منتقل می‌شود و انرژی جنبشی ذره ۲ افزایش می‌یابد.

اکنون به جسم B دقت می‌کنیم. انرژی جنبشی ذره ۴ در جسم B کمتر از انرژی جنبشی ذره ۵ است. پس از برخورد دو ذره ۴ و ۵ با یکدیگر، مقداری از انرژی جنبشی ذره ۵ به ذره ۴ منتقل می‌شود. بنابراین، انرژی جنبشی ذره ۴ افزایش می‌یابد. اما ذره ۵ مقدار از انرژی جنبشی خود را پس از برخورد با ذره ۴ از دست می‌دهد. حالت‌های مشابهی برای ذرات ۱ و ۲ یا ۶ نیز رخ می‌دهد. این‌گونه به نظر می‌رسد که مبادله انرژی جنبشی به تدریج گسترش می‌یابد. در طی این فرایند مقداری از انرژی جنبشی ذرات جسم B به ذرات جسم A منتقل می‌شود. در پایان، ذرات دو جسم، انرژی جنبشی یکسانی خواهند داشت.
به بیان دیگر، دمای دو جسم یکسان است. دو جسم A و B در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند. به بیان علمی‌تر، ذرات جسم گرم‌تر روی ذرات جسم سردتر، کار انجام داده‌اند. انرژی از جسم B به جسم A منتقل شده است. به این انتقال انرژی، گرما می‌گوییم و برحسب ژول بیان می‌شود. به بیان دقیق‌تر، گرما برابر کار انجام شده توسط ذرات جسم گرم‌تر بر روی ذرات جسم سردتر است.
گرما، انتقال غیرمکانیکی انرژی است. 
به عبارت غیرمکانیکی در تعریف گرما دقت کنید. آیا همواره باید از این عبارت در تعریف گرما استفاده کنیم؟ خیر. در حقیقت، گرما را می‌توان به صورت فرایندی مکانیکی نیز نگاه کرد. در نگاه ماکروسکوپیک، هیچ برهم‌کنشی بین ذرات تکی نمی‌بینیم. گرما را به صورت فرایندی تک درک می‌کنیم. به بیان دقیق‌تر، گرما را می‌توان به صورت انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر بدون هیچ کنش یا عمل مکانیکی تعریف کرد. به همین دلیل در تعریف گرما از عبارت غیرمکانیکی استفاده می‌شود. همچنین، گرما را می‌توان به صورت انتقال انرژی درونی بین دو سیستم تعریف کرد.
تا اینجا، می‌دانیم تعریف گرما در ترمودینامیک چیست و با تعریف گرما و دما آشنا شدیم. در ادامه، در مورد قوانین ترمودینامیک صحبت می‌کنیم.



فیلم آموزش فیزیک ۳ - حل تمرین در فرادرس
کلیک کنید
 
قانون صفرم ترمودینامیک چیست ؟
این قانون، در مورد تعادل گرمایی صحبت می‌کند. تعادل گرمایی بین دو سیستم هنگامی رخ می‌دهد که هیچ هدایت گرمایی بین آن‌ها رخ ندهد. بر طبق این قانون، اگر دو سیستم به نام‌های سیستم‌های A و B با سیستم سومی به نام C در تعادل گرمایی باشند، دو سیستم A و B نیز با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند. این جمله در نگاه نخست بسیار واضح به نظر می‌رسد، اما مفهوم بسیار مهمی در آن نهفته است. به بیان دیگر، اگر دمای دو جسم یکسان باشد، هیچ هدایت گرمایی بین آن‌ها پس از تماس با یکدیگر اتفاق رخ نمی‌دهد. این جمله به ما می‌گوید که دما نشانه‌ای از تعادل گرمایی است. دو جسم با دمای یکسان، در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند.
قانون اول ترمودینامیک چیست ؟
قبل از آن‌که در مورد قانون اول ترمودینامیک صحبت کنیم، شکل ریاضی این قانون را می‌نویسیم.
△U=Q-W△U=Q-W

فیلم آموزش شیمی فیزیک - حل مساله در فرادرس
کلیک کنید
 
این قانون به شکل △U=Q+W△U=Q+W نیز نوشته می‌شود. شاید از خود بپرسید چرا قانون اول ترمودینامیک به این دو شکل نوشته می‌شود. برای رسیدن به پاسخ این پرسش، این قسمت را تا انتها مطالعه کنید.
در بیشتر موارد قانون اول ترمودینامیک را شکل دیگری از قانون پایستگی انرژی می‌دانند. بر طبق اصل پایستگی انرژی، انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود، بلکه از شکلی به شکل دیگر تغییر می‌کند. اما این تعریف چه ارتباطی با قانون اول ترمودینامیک دارد؟ برای پاسخ به این پرسش ابتدا باید با هر یک از کمیت‌های نوشته شده در معادله △U-Q-W△U-Q-W آشنا شویم. در مطالب بالا با تعریف سیستم آشنا شدیم.
بنابراین، ابتدا باید سیستم را برای رسیدن به پاسخ پرسش پرسیده شده انتخاب کنیم. سیستم موردنظر را به شکل گازی داخل جعبه انتخاب می‌کنیم. بنابراین، جعبه از تعداد زیادی مولکول‌های کوچک گاز تشکیل شده است. بنابراین، عبارت △U△U به تغییراتِ انرژی درونی سیستم اشاره دارد. گرچه این سیستم از تعداد زیادی ذرات کوچک تشکیل شده است، انرژی درونی را می‌توان به صورت اندازه‌گیری حالت سیستم در نظر گرفت. موقعیت و سرعت هر ذره را نمی‌توانیم برحسب زمان اندازه بگیریم. تنها با دانستن انرژی درونی گاز می‌توانیم آن را در حالت کلی بررسی کنیم.

انرژی درونی مقدار انرژی موجود در سیستم را اندازه می‌گیرد یا مقدار انرژی لازم برای ساختن سیستم از ابتدا را به ما می‌دهد. به عنوان مثال، چه مقدار انرژی برای کنار هم قرار دادن مولکول‌های گاز داخل جعبه مورد نیاز است. در قانون اول ترمودینامیک به تغییرات انرژی درونی سیستم ترمودینامیکی نگاه می‌کنیم. چگونه انرژی موجود در گاز داخل جعبه برحسب زمان افزایش یا کاهش می‌یابد؟ برای پاسخ به این پرسش باید به عبارت سمت راست معادله △U=Q-W△U=Q-W نگاه کنیم. Q، بیان‌گر گرما است. در مطالب بالا گفتیم مفهوم گرما در ترمودینامیک چیست. هنگامی که گاز را گرم می‌کنیم، انرژی درونی آن افزایش می‌یابد.

مطلب پیشنهادی:
 انرژی درونی - از صفر تا صد
 
به عنو