یکی از بنیادی ترین اصول مهندسی مکانیک و مهندسی هوافضا اصول ترمودینامیک می باشند که با پدیده های انرژی و پیشروی فرآیندها و میزان مصرف انرژی ، راندمان یک مجموعه و ... ارتباط دارد. در این بخش قوانین ترمودینامیک ( قانون صفرم ترمودینامیک ، قانون دوم ترمودینامیک ، قانون اول ترمودینامیک ) به همراه فیلم آموزشی ترمودینامیک با زیرنویس انگلیسی قرار داده شده است.
ترمودینامیک در زبان یونانی Thermos به معنای “گرما و حرارت” و Dynamic به معنای “تغییرات” می باشد و لغت Thermodynamic بیانگر شاخه ای از علم فیزیک می باشد که به بررسی رفتار خواص کلی سیستم ها مانند فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و … می پردازد. از جمله مسایل مورد علاقه این علم می توان به بررسی قوانین حاکم بر تبدیل انرژی گرمایی به کار اشاره کرد. قوانین اصلی حاکم بر این علم بسیار جالب بوده و مصادیق بسیاری در سایر علوم تجربی و نظری نیز دارند
قانون صفرم ترمودینامیک(به انگلیسی: Zeroth law of thermodynamics) بیان می‌کند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر در حال تعادلند.
قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید که حالت تعادل ماکروسکوپی یک سیستم با کمیتی به نام انرژی درونی (U) بیان می‌شود. انرژی درونی دارای خاصیتی است که برای یک سیستم منزوی (ایزوله یا سیستمی که با محیط تبادل جرم و انرژی ندارد) داریم:
اگر به سیستم اجازهٔ برهم‌کنش با محیط داده شود، سیستم از حالت ماکروسکوپی اولیهٔ خود به حالت ماکروسکوپی دیگری منتقل می‌شود که تغییر انرژی درونی را برای این تحول (فرآیند) می‌توان به شکل زیر نشان داد:
که در این فرمول W، کار ماکروسکوپی انجام شده توسط سیستم در برابر نیروی خارجی و Q مقدار گرمای جذب شده توسط سیستم در طی این فرآیند است.
در شیمی و فیزیک سیستم مورد توجه است و انرژی درونی را Q+W در نظر می‌گیریم. (سیستم را بسته، در حالت سکون و در غیاب میدان‌ها در نظر می‌گیریم)
که در آن
یک افزایش بی‌اندازه کوچک در انرژی درونی سیستم است،
یک مقدار بی‌اندازه کوچک از گرما که به سیستم افزوده می‌شود،
یک کار بی‌اندازه کوچک که بر روی سیستم انجام می‌شود و
نماد دیفرانسیل است.
در واقع تعریف قانون اول چنین است : اگر به سیستمی گرما داده شود و یا از آن گرما گرفته شود، انرژی درونی سیستم تغییر خواهد نمود که حاصل آن کار انجام شده توسط سیستم و یا کار مورد نیاز سیستم برای تغییر انرژی درونی خواهد بود .
تاریخچه
فرایند توسعه قانون اول ترمودینامیک از طریق آزمایش (سعی وخطا) در طی یک دوره در حدود نیم قرن بود. اولین اظهارات کامل از قانون در سال 1850 توسط رودلف کلازیوس و ویلیام رانکین عنوان شد. ادعاهای رانکین شاید وضوح بیانیه کلاوزیوس را نداشته بود. یکی از جنبه های اصلی این نظریه ها، مقابله با نظریه کالری، با عنوان "گرما" بود که قبلا ارائه شده بود. ژرمن هس در سال 1840 یک قانون به اصطلاح 'گرمای واکنش' برای واکنش های شیمیایی اعلام کرد. قانون او بعدها به عنوان یک نتیجه از قانون اول ترمودینامیک به رسمیت شناخته شد، اما بیانیه هس به صراحت با رابطه بین تبادلات انرژی به شکل گرما و کار مرتبط نبود. ژولیوس رابرت فون مایر در سال 1841 بیانیه ای ابداع نمود بدین شکل که "در یک فرایند فشار ثابت، حرارت مورد استفاده برای تولید انبساط، قابلیت تبدیل به کار را داراست"، اما این بیان کلی از قانون اول نبود.
بیانیه های اصلی : "رویکرد ترمودینامیکی"
بیانیه های اصلی قرن نوزدهم درباره قانون اول ترمودینامیک در یک چارچوب مفهومی ظاهر شد که در آن انتقال انرژی به صورت گرما به عنوان یک مفهوم اولیه تعریف نشده. مفهوم اولیه حرارت از یک تجربه ثابت گرفته شده است، به ویژه با کمک گرماسنجی قابل بیان بود. اشتراک اولیه درباره مفهوم حرارت مفاهیمی ازقبیل دمای تجربی و تعادل گرمایی بود. این چارچوب یک مفهوم و فرض کلی درباره انرژی نیست، اما به عنوان مشتق شده و یا سنتزشده از مفاهیم قبل از گرما و کار است. در آخر توسط یک نویسنده، این چارچوب به رویکرد "ترمودینامیکی" نامیده شده است.
اولین بیانیه صریح و روشن از قانون اول ترمودینامیک، توسط رودلف کلاوزیوس در سال 1850،بیان گردیده است. بر اساس این نظریه، به فرآیندهای ترمودینامیکی "چرخه" گفته می شود. کلازیوس بیان دیگری نیز در تعریف قانون اول ترمودینامیک دارد:"در یک فرایند ترمودینامیکی در یک سیستم بسته، افزایش در انرژی داخلی به تفاوت بین گرمای انباشته شده توسط سیستم و کار انجام شده توسط آن وابسته است."
مفهوم انرژی داخلی توسط Bailyn موردتوجه قرار گرفت. مقدار انرژی درونی قابل اندازه گیری نمی باشد اما از اختلاف انرژی درونی اولیه و نهایی می توان به وجود آن پی برد.
نسخه مفهومی: "رویکرد مکانیکی"
در سال 1907، جورج اچ برایان نوشت: سیستم بسته یعنی، سیستم هایی که در بین شان انتقال ماده وجود ندارد.
هنگامی که انرژی از یک سیستم و یا بخشی از یک سیستم، جریان می یابد، در غیاب کار انجام شده، انرژی انتقال یافته برابر با گرما می شود. برای این رویکرد، لازم است تا مطمئن شوید که اگر انتقال انرژی همراه با انتقال ماده وجود دارد، انتقال انرژی بدون انتقال ماده از یک مسیر جداگانه قابل تعریف و اندازه گیری باشد.
قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که در یک پروسهٔ طبیعی ترمودینامیکی جمع انتروپی تک‌افتادهٔ سیستم‌های شرکت کننده در آن پروسه، همواره با گذشت زمان افزایش می‌یابد یا ثابت می ماند(تنها اگر در شرایط ایده‌آل حالت دایمی، یا تحت فرایند برگشت‌پذیری قرار داشته‌باشد، ثابت می‌ماند). به بیان دیگر هیچ پروسهٔ ترمودینامیکی وجود ندارد که با گذشت زمان با کاهش انتروپی همراه باشد. این افزایش آنتروپی برابر است با افزایش اتلاف انرژی، (و سازگار با فرایند برگشت‌ناپذیری و اصل نابرابری گذشته و آینده).
