آموزش ترمودینامیک

[ریپورتر]

برای اثبات این قانون ، اول لازم است که با قانون های بویل و شارل آشنا شویم .
قانون بویل

رابطهٔ بین فشار و حجم یک گاز در 1662 میلادی توسط رابرت بویل ( Robert Boyle ) اندازه گیری شد . بویل متوجه شد که افزایش فشار وارد شده بر یک گاز با کاهش حجم آن متناسب است . اگر فشار دو برابر شود ، حجم به نصف کاهش می‌یابد . اگر فشار سه برابر شود ، حجم به یک سوم حجم اولیه اش می‌رسد . قانون بویل می‌گوید که در دمای ثابت ، حجم گاز با فشار رابطهٔ عکس دارد :
قانون شارل

رابطهٔ بین حجم و دمای یک گاز در 1787 میلادی توسط ژاک شارل ( Jacques Charles ) مطالعه شد و نتایج او به طور قابل ملاحظه‌ای توسط شاگردانش ژوزف گیلوساک ( Joseph Gay - Lussac ) گسترش یافت . براساس این قانون حجم تمام گازها ، در فشار ثابت ، با دمای مطلق آن گاز رابطهٔ مستقیم دارد :
قانون گازهای ایده آل

در دما و فشار ثابت حجم یک گاز با تعداد مول های آن نسبت مستقیم دارد . حجم یک مول گاز نصف حجم اشغال شده توسط 2 مول گاز می‌باشد . بنابراین قانون و قوانین بویل و شارل می‌توان گفت که :
با استفاده از یک عدد ثابت می‌توان تناسب را به تساوی تبدیل کرد :
که از آن نتیجه می‌شود :
PV = nRT

[ریپورتر]

قانون گازهای ایده آل توسط نظریهٔ جنبشی گازها

نمونه‌ای از یک گاز شامل N (عدد آووگادرو) مولکول، هر کدام با جرم m را در نظر بگیرید. اگر این نمونه در مکعبی با یال a باشد، حجم آن برابر خواهد شد با:
V = a3با فرض اینکه یک سوم مولکول‌ها در جهت محور x، و دو سوم در جهت محورهای y و z حرکت کنند، آنگاه در هر ۲a حرکت یک مولکول گاز در جهت محور x داخل مکعب، مولکول حداقل یکبار به دیوارهٔ مکعب برخورد می‌کند. با فرض اینکه سرعت میانگین هر مولکول گاز برابر u است، در هر ثانیه هر مولکول گاز به اندازهٔ برخورد دارد و در هر برخورد به اندازهٔ ۲mu اندازهٔ حرکت آن تغییر می‌کند. پس در هر ثانیه هر مولکول گاز به اندازهٔ زیر به دیوارهٔ مکعب نیرو وارد می‌کند :
از این رو برای تمام مولکولهای گاز می‌توان نوشت :
فشار عبارت است از نیرو بر سطح. پس :
پس می‌توان نوشت :
که KE در آن میانگین انرژی جنبشی مولکولی گاز می‌باشد. و از آنجا که انرزی جنبشی یک گاز (بنابر نظریه جنبشی گازها) با دمای مطلق آن نسبت مستقیم دارد و همچنین ، پس :
که با ضرب کردن عدد ثابتی مثل R، می‌توان تناسب را به تساوی تبدیل کرد :

PV = nRT منابع

• شیمی عمومی ( جلد اول ) ، چارلز مورتیمر ، دکتر عیسی یاوری ، نشر علوم دانشگاهی ، تهران ، 1385 ، ISBN 964-6186-30-0

[ریپورتر]

قوانین ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر در حال تعادل‌اند.
قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید: تغییر انرژی درونی یک سیستم برابر است با مجموع گرمای داده شده به سیستم و کار انجام شده بر آن:
ΔU = Q + W قانون دوم ترمودینامیک

ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال مداوم گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، غیر ممکن است. به بیان ساده تر امکان ندارد که یک یخچال طی یک چرخه، تمام انرژی را که از منبع سرد دریافت می‌کند به منبع گرم انتقال دهد؛ بلکه مقداری از این انرژی را طی این فرایند به کار تبدیل می‌کند.
قانون سوم ترمودینامیک

قانون سوم ترمودینامیک می‌گوید هنگامی که انرژی یک سیستم به حداقل مقدار خود میل می‌کند، انتروپی سیستم به مقدار قابل چشم‌پوشی می‌رسد. یا بطور نمادین: هنگامی که ،

[ریپورتر]

واژهٔ اِنتروپی یا آنتروپی در رشته‌های گوناگون علمی، معانی متفاوت پیدا کرده است که اساسی‌ترین آنها در زیر آورده شده‌اند



[ویرایش] تعاریف انتروپی

• برای یک فرآیند بسیار کوچک هم‌دمای برگشت‌پذیر داریم:

• انتروپی بردار زمان است یعنی یک شاخص اساسی زمان است.
• از دیدگاه انرژی آزاد انتروپی با گرمایی که برای انجام کار در دسترس نیست، ارتباط دارد.
• انتروپی اندازهٔ بی‌نظمی سیستم یا ماده‌ای است که در حال بررسی است.
• انتروپی معیاری از اشتباهات تصادفی است که در هنگام انتقال یک سیگنال به وجود می‌آید. بنابراین می‌تواند معیاری از بازده‌ی سیستم ارسال پیام باشد.
• انتروپی معیاری از تعداد حالت‌های داخلی است که یک سیستم می‌تواند داشته باشد، بدون آنکه برای یک ناظر خارجی که فقط [[کمیت‌های ماکروسکوپیک (مثلاً جرم، سرعت، بار و...) آن را مشاهده می‌کند، متفاوت به نظر برسد.

[ریپورتر]

مفهوم ترمودینامیکی
انتروپی (S) کمیتی ترمودینامیکی است که اندازه‌ای برای درجهٔ بی‌نظمی در هر سیستم است. هر چه درجهٔ بی‌نظمی بالاتر باشد، آنتروپی بیشتر است. بنابراین برای یک مادهٔ معین در حالت تعادل درونی کامل در هر حالت، داریم:
انتروپی جامد < انتروپی مایع < انتروپی گازواحد انتروپی در سیستم SI، ژول بر مول کلوین است. (J/mol.K).
توجه به این نکته ضروری است که انتروپی یک تابع حالت و مستقل از مسیر است.
با فرض صادق بودن قانون سوم ترمودینامیک می‌توان بصورت زیر مقدار مطلقی برای انتروپی جامدات در دماهای بالا بدست آورد:
در صورتی که مادهٔ مورد نظر در دماهای بالا تحت استحاله‌های فازی قرار گرفته و حالت آن تغییر یابد، باید از صورت کلی فرمول انتروپی به شکل زیر استفاده کرد:

که در این فرمول، Tm دمای ذوب، Tv دمای جوش،ΔHm تغییر آنتالپی در اثر ذوب، ΔHv تغییر آنتالپی در اثر جوش و (Cp(l)، Cp(s و (Cp(g به ترتیب ظرفیت گرمایی ماده در حالت جامد، مایع و گاز در فشار ثابت هستند

[ریپورتر]

آنتالپی مقدار گرمای سیستم در فشار ثابت است

تغییرات آنتالپی
معمولا تغییرات آنتالپی واکنش‌ها را در دستگاه‌های آنالیز مورد سنجش قرار می‌دهند.
تغییرات آنتالپی در واکنش‌های گرماگیر

در واکنش گرماگیر این تغییرات مثبت است یعنی آنتالپی سیستم در صورتی که واکنش گرماگیر باشد افزایش خواهد یافت.
تغییرات آنتالپی در واکنش‌های گرمازا

تغییرات آنتالپی واکنش گرمازا منفی است یعنی آنتالپی سیستم هایی که در آنها واکنش گرمازا انجام می‌شوند کاهش می‌یابد

[ریپورتر]

آنتالپی و انرژی درونی
آنتالپی با انرژی درونی مرتبط است. مقدار کار مربوط به تغییر حجم نمونه ناشی از فشار سیستم تفاوت این دو را موجب می‌شود.



روش اندازه‌گیری تغییرات آنتالپی

تغییرات آنتالپی را با استفاده از روش کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند و از مشتق آن مقدار ظرفیت حرارتی ویژه نمونه را به دست می‌آورند

[ریپورتر]

واکنش گرماگیر (به انگلیسی: endothermic reaction) نوعی واکنش شیمیایی است که تغییرات آنتالپی آن در فشار ثابت مثبت باشد.

سطح انرژی مواد در واکنش گرماگیر

در واکنش گرماگیر سطح انرژی مواد اولیه پایین‌تر از سطح انرژی محصولات است یعنی آنتالپی سیستم در صورتی که واکنش گرماگیر باشد در فشار ثابت افزایش می‌یابد. انرژی درونی سیستم نیز در این نوع واکنش افزایش می‌یابد.
سیستم واکنش گرماگیر

سیستم واکنش گرماگیر گرمای مورد نظر برای انجام این نوع واکنش را از بیرون (محیط واکنش) می‌گیرد.
تفاوت واکنش گرماگیر و گرمازا

ویژگی واکنش گرماگیر عکس واکنش گرمازا است یعنی برای یک واکنش گرمازا گرمای تولید شده در واکنش از سیستم واکنش به محیط آن خارج می‌شود.
اندازه‌گیری تغییرات آنتالپی واکنش گرماگیر

تغییرات آنتالپی واکنش گرماگیر را با استفاده از روش کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند و از آن مقدار ظرفیت حرارتی ویژه نمونه را به دست می‌آورند.

[ریپورتر]

واکنش گرمازا (به انگلیسی: exothermic reaction) نوعی واکنش شیمیایی است که تغییرات آنتالپی آن در فشار ثابت منفی باشد.

سطح انرژی مواد در واکنش گرمازا

در واکنش گرمازا سطح انرژی مواد اولیه بالا‌تر از سطح انرژی محصولات است یعنی آنتالپی سیستم در صورتی که واکنش گرمازا باشد در فشار ثابت کاهش می‌یابد. انرژی درونی سیستم نیز در این نوع واکنش کاهش می‌یابد.
سیستم واکنش گرمازا

سیستم واکنش گرمازا گرمای مورد نظر برای انجام این نوع واکنش را به بیرون (محیط واکنش) می‌دهد.
تفاوت واکنش گرمازا و گرماگیر

ویژگی واکنش گرمازا عکس واکنش گرماگیر است یعنی برای یک واکنش گرماگیر گرمای تولید شده در واکنش از محیط وارد سیستم واکنش می‌شود.
اندازه‌گیری تغییرات آنتالپی واکنش گرمازا

تغییرات آنتالپی واکنش گرمازا را با استفاده از روش کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند و از آن مقدار ظرفیت حرارتی ویژه نمونه را به دست می‌آورند.

[ریپورتر]

انرژی آزاد گیبس کمیتی ترمودینامیکی است که میزان خودبه‌خود انجام شدن یک واکنش را نشان می‌دهد. این کمیت با G نمایش داده می‌شود. انجام یک فرآیند از لحاظ ترمودینامیکی هنگامی امکان‌پذیر است که تغییرات انرژی آزاد گیبس منفی باشد.
انرژی آزاد گیبس را می‌توان از این معادلات بدست آورد:
این فرمول‌ها دربرگیرندهٔ دو عامل است که در انجام‌پذیری واکنش‌ها در طبیعت مؤثرند: آنتالپی (انرژی سیستم) و آنتروپی (بی‌نظمی سیستم).
انتالپی (H) تغییرات انرژی ضمن انجام واکنش را دربرمی‌گیرد. این تغییرات هم انرژی جنبشی راشامل می‌شود و هم انرژی پتانسیل را، به شرط آن که در حین انجام واکنش فشار وارد بر سیستم ثابت باشد.
یک واکنش زمانی از نظر انرژی انجام‌پذیر تلقی می‌شود که بر اثر انجام آن انرژی سیستم کمتر شود. به عبارت بهتر سیستم پایدارتر شود. در این صورت تغییرات انتالپی منفی خواهد بود.
اما در اطراف ما بسیاری از واکنش‌ها اتفاق می‌افتند که در آن‌ها سیستم گرما می‌گیرد و انرژی آن افزایش می‌یابد، یعنی تغییرات انتالپی در آن‌ها مثبت است. این گونه واکنش‌ها به علت عامل دوم رخ می‌دهند که آنتروپی نامیده می‌شود و با S نشان داده می‌شود. این عامل نشان‌دهندهٔ میزان بی‌نظمی سیستم است و زمانی مساعد است که انجام واکنش سبب زیادشدن بی‌نظمی در سیستم شود. در فرمول انرژی آزاد گیبس عامل S در T ضرب می‌شود که دمای مطلق (کلوین) گاز است، یعنی اثر عامل بی‌نظمی در دمای بالا بیشتر است.
منبع

‎

• Peter Atkins and Julio de Paula, Physical chemistry, W. H. Freeman; 8th edition, U.S.A, 2006. ISBN 0-7167-8759-8