متغيرات الحالة

يناقش سلوك المادة عادة في الديناميكا الحرارية بدلالة عينة محددة  منها تسمى النظام الديناميكا الحراري. وقد يكون هذا النظام جزيئات الغاز في إناء ما أو الجزيئات في حلول ، بل إنه يكون نظاماً معقداً كالجزيئات في شريط من المطاط. ولكي تكون المناقشة الديناميكية الحرارية ذات معنى يجب أن يكون النظام محددا ً تحديداً دقيقاً، وفي هذه الحالة فقط يمكننا وصف النظام بطريقة واضحة لا غموض فيها . لتصميم تربين بخاري لاستخدامه في توليد الكهرباء يحتاج المهندسون إلى معرفة ضغط ودرجة حرارة بخار الماء، وكذلك الحجم الذي يشغله بخار الماء عند مروره خلال التربين. وعند ذلك فقط يستطيع المهندسون معرفة مقدار القدرة الكهربائية التي يمكن أن يولدها التربين من كمية معينة من الطاقة الحرارية.

ولوصف النظام الديناميكي الحرارة فإننا نستخدم كميات معينة تنطبق على النظام بأكمله أو على جزء محدد تحديداً دقيقاً منه. والكميات النموذجية القابلة للقياس بسهولة والمستخدمة في وصف أي نظام هي الضغط ودرجة الحرارة والحجم. كما تستخدم أيضاً في الديناميكا الحرارية كميات أخرى كالطاقة الداخلية والحرارة والشغل، وكمية أخرى سنقابلها فيما بعد تسمى الانتروبيا. وإذا تغيرت حالة النظام قد تتغير هذه الكميات كلها أو بعضها. كذلك فإن من المهم أن نعلم أن هذه الكميات تكون مناسبة لتمثيل الحالة المضبوطة للنظام . لنتعرف الآن على هذه الكميات.

عندما يصل إناء يحتوي على عدد قدره n مولاً من غاز مثالي إلى حالة الاتزان سوف يصل كل من حجمه وضغطه ودرجة حرارته  إلى قيمة محددة. وإذا علمت أي كميتين من الكميات الثلاث V ، P ، T ، يمكن حساب الكمية الثالثة من قانون الغاز المثالي، وبالتالي تصبح هي أيضاً معلومة. ويسمى هذا الموقف المحدد، الذي يتحدد بقيم معينة للكميات V ، P ، T، للغاز (النظام) بالحالة الديناميكية الحرارية للنظام. ومتى عاد الغاز ( النظام ) إلى نفس قيم V ، P ، T، فإن حالة النظام ستعود كما كانت أصلاً. وبالرغم من أن كل جزئ بالنظام قد لا يسلك سلوك الجزيئات الأخرى تماماً عند وجود النظام في حالة معينة، فإن خواص النظام ككل ستظل دائماً كما هي من الناحية الماكروسكوبية.

ويمكن صياغة هذا المعنى بأسلوب آخر كالتالي. لكل نظام خواص معينة قابلة للقياس تكون لها دائماً نفس القيمة عندما يتواجد النظام في نفس الحالة الديناميكية الحرارية؛ وتسمى التغيرات التي تصف هذه الحواص بمتغيرات الحالة. فمثلاً متغيرات حالة نظام مكون من غاز هي T، V ، P. ومعنى ذلك أن كل حالة اتزان معينة للغاز تتميز دائماً بنفس قيم متغيرات الحالة هذه بصرف النظر عن الطريقة التي وصل بها الغاز إلى هذه الحالة.

الطاقة الداخلية للنظام هي كمية هامة أخرى من الكميات المستخدمة لوصف حالة النظام:

الطاقة الداخلية (U) لنظام ما هي مجموع طاقتي الحركة والوضع لجميع الذرات أو الجزيئات المكنة لهذا النظام.

وتعتبر الطاقة الداخلية مثالاً لخاصية من الخواص الفيزيائية التي تسمى دوال حالة النظام. وتعرف دالة حالة النظام بأنها تلك الخاصية الفيزيائية التي يمكن تعريفها تماماً بدلالة متغيرات الدالة. ويمكننا أن نستنتج بناء على ذلك أن قيمة أي من دوال حالة النظام، كالطاقة الداخلية مثلاً، لا تعتمد على نوع العمليات التي يصل بها النظام إلى حالته المعنية.

الطاقة الداخلية إذن دالة حالة للنظام. وعلى العكس فإن الحرارة والشغل ليسا من دوال الحالة، وذلك لأن كمية الحرارة المضافة إلى النظام او الشغل المبذول على النظام لتغيير حالته بمقدار معين تعتمد على العملية المستخدمة لحدوث هذا التغير في الحالة.