مسائل ترمودینامیک (1)

ترمودینامیک سیستمی است تجربی که با خواص ماکروسکوپی ماده سر و کار دارد.

پیش بینی انجام پذیر بودن یک فرایند و میزان پیشرفت آن از مهم ترین کاربردهای ترمودینامیک است. ترمودینامیک درباره زمان لازم برای انجام فرایند اطلاعاتی نمی دهد. سیستم های ترمودینامیکی با تخصیص مقادیری به توابع حالت که خواص سیستم اند، توصیف می شوند و مقادیر آنها به حالت خاصی که ما آن را مشخص می کنیم بستگی دارد نه به نحوه رسیدن به آن حالت.
تعریف عمومی
ترمودینامیک علمی است که با حرارت و کار و آن گروه از خواص ماده که مرتبط با کار و حرارت هستند، سروکار دارد.
تعریف تخصصی
ترمودینامیک علم انرژی و انتروپی است و فقط حالتهای تعادل و نهایی فرآیندها را بررسی میکند.
کاربردهای ترمودینامیک
- سیستمهای تبرید از جمله یخچالها وکولر گازی
- سیستمهای تهویه مطبوع
- نیروگاههای بخار و گازی
- موتورهای دیزل و توربینه ای گازی

فشار، حجم و دما مثال هایی از توابع حالت می باشند. یک فرایند، تغییر حالت یک سیستم از حالت اولیه به حالت نهایی طی یک مسیر مشخص است. یک فرایند را با تعیین مقدار تغییرات توابع حالت (تغییر را با Δ نشان می دهند، مثلا، ΔT تغییر دماست) توصیف می کنند و سایر کمیت های ترمودینامیکی فرایند را توابع مسیر می نامند.مقدار تغییرات توابع حالت به مسیر پیموده شده بستگی ندارد و تنها به حالت اولیه و نهایی سیستم وابسته است، در حالی که مقدار توابع مسیر را با استفاده از ماهیت کامل مسیر پیموده شده تعیین می کنند. توابع حالت را با حروف بزرگ و توابع مسیر را با حروف کوچک نشان می دهند.
به طور کلی، حالت های اولیه و نهایی فرایندهایی که با آنها سر و کار داریم، حالت های تعادل هستند.
اگر سیستمی در حالت تعادل باشد، با گذشت زمان تغییر نخواهد کرد، مگر این که چیزی در اطراف آن به نوعی این تعادل را بر هم زند. اگرچه محدوده کاربرد پذیری ترمودینامیک بسیار گسترده است، اما در این جا خود را به سیستم های ایده آل مشخصی محدود خواهیم کرد که بتوان آنها را به طور ساده توصیف نمود.

قانون اول ترمودینامیک یک قانون عمومی است که به طور تجربی به دست می آید و درباره رفتار ماده می باشد و به صورت زیر بیان می شود: انرژی جهان ثابت است. بیان ریاضی این قانون عبارت است از: ΔE= q+w
تغییر انرژی، ΔE، از یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برابر است با گرمای جذب شده توسط سیستم، q، به علاوه کار انجام شده روی سیستم، w.
انرژی یک سیستم، E، یک تابع حالت است که می توان آن را به عنوان ظرفیت ذخیره شده برای انجام کار مکانیکی تعریف کرد. گرما، q، یک تابع مسیر است، گرما انتقال انرژی است که در نتیجه تفاوت دما به وجود می آید. وقتی سیستم از محیط اطراف گرما می گیرد، علامت این کمیت مثبت و وقتی سیستم به محیط اطراف گرما می دهد، علامت آن منفی است. کار، w، نیز یک تابع مسیر است، کار انتقال انرژی است که در نتیجه حرکت بعضی چیزها برخلاف نیروهای مخالف به وجود می آید.
وقتی سیستم روی محیط کار انجام می دهد، علامت این کمیت منفی و وقتی محیط روی سیستم کار انجام می دهد، علامت آن مثبت است. توجه کنید که مثبت و منفی بودن q و w به این صورت است که وقتی جهت انتقال انرژی باعث افزایش انرژی سیستم می شود آنها مثبت هستند.

چون کار به جابه جایی نیاز دارد پس، هنگامی که سیستم های شیمیایی معمولی متحمل یک تغییر حالت می شوند، کار تنها در صورتی می تواند انجام گیرد که تغییری در حجم سیستم به وجود آید. به یاد داشته باشید که برای همه فرایندهایی که در حجم ثابت می سوند، w=0 و از این رو، ΔE= qv که qv گرمای گرفته شده در حجم ثابت است.
اغلب، ترمودینامیک سیستم های گاز ایده آل نسبتا ساده می باشد، زیرا این سیستم ها ساده هستند. گاز ایده آل ممکن است در ظرفی باشد که به طور کامل عایق است (یعنی، دیواره های ظرف گرما را منتقل نمی کنند.) در این صورت، همه تغییرات حالت را آدیاباتیک می گویند(q=0).
گاز ایده آل ممکن است در یک ظرف در بسته باشد، به طوری که نتوان حجم ان را تغییر داد. در این صورت، همه تغییرات حالت در حجم ثابت، خواهد بود، بنابراین، w=0 . گاز ایده آل ممکن است در استوانه ای باشد که با یک پیستون بدون اصطکاک جفت شده است (پیستون توسط فشار جو یا وزنه در یک جا نگاه داشته می شود.) در آن صورت امکان انتقال گرما وجود دارد.

چون پیستون می تواند در این سیستم حرکت کند، پس تغییر حجم می تواند رخ دهد و کار می تواند انجام شود. این نوع کار را کار فشار-حجم (PV) می نامند، زیرا این کار ناشی از جابه جایی پیستون در نتیجه تغییر حجم بر خلاف یک فشار مخالف است. اگر حجم گاز درون استوانه افزایش یابد (ΔE>0)، سیستم روی محیط کار انجام می دهد (w<0) و اگر حجم گاز درون استوانه کاهش یابد (ΔV<0)، محیط روی سیستم کار انجام می دهد (w>0).
مقدار کار این نوع فرایندها را می توان در حالت های خاص به آسانی محاسبه کرد. اگر حرکت پیستون برخلاف یک فشار مخالف ثابت، POPP* رخ دهد، آنگاه w=- P_OPP ΔV

مثلا فرض کنید که فشار یک استوانه گاز سه اتمسفر است و پیستون با فشار خارجی یک اتمسفر و وزنه های کافی که در مجموع سه اتمسفر فشار تولید می کنند در مکانی ثابت نگاه داشته شده است.
اگر وزنه ها را به سرعت برداریم، گاز درون سیلندر در مقابل فشار مخالف یک اتمسفر از حالت اولیه خود به یک حالت نهایی که در آن فشار گاز برابر با یک اتمسفر است، منبسط می شود. چون مقدار فشار خارجی مخالف در کل انبساط برابر با یک اتمسفر است بنابر این، w= - (1atm) ΔV.
ادامه دارد...
منبع:
http://library.sharif.ir

مسائل ترمودینامیک (2)
مسائل ترمودینامیک (3)

مرکز یادگیری سایت تبیان، مرجان سلیمانیان