آموزش ترمودینامیک

[ریپورتر]

سلام خدمت تمام دوستان عزیز در این بخش آموزش ترمودینامیک را شروع میکنیم و امیدوارم خوب پیش برود از تمام دوستانی که می توانند در این مورد همکاری کنند دعوت میشود تا با این جانب همکاری کنند
با تشکر فراوان

[ریپورتر]

اين شاخه از فيزيك به مطالعه گرما و حركت، روابط بين گرما و انرژي مكانيكي، الكتريكي و ساير انواع انرژي يا كار مي‌پردازد. ترموديناميك مبحثي مشترك بين شيمي و فيزيك است كه در كتاب سال سوم شيمي هم درباره آن مطالبي را مي‌خوانيد.

در ترموديناميك دسته‌اي از مولكول‌ها را از بقيه مولكول‌ها جدا كرده و يا جدا در نظر مي‌گيرند و سپس به بررسي آنها
مي‌پردازند. اصطلاحاً اين مولكول‌هاي جدا شده يا جدا در نظر گرفته را سيستم يا دستگاه (System) مي‌نامند. به فضاي اطراف سيستم، محيط (Surroundings) گفته مي‌شود.

سيستم توسط مرزي از محيط جدا مي‌شود.

اساس و پايه ترموديناميك را كميت‌هاي ماكروسكوپيك تشكيل مي‌دهند. فشار، حجم و دما سه كميت مهم ماكروسكوپيكي هستند. اين سه كميت را در مورد هر سيستمي بدون اطلاع از رفتار تك‌تك مولكول‌هاي آن به راحتي مي‌توان تعيين نمود. اصطلاحاً گفته مي‌شود كه كميت‌هاي ماكروسكوپيك وضعيت ماده را در مقياس بزرگ تعيين مي‌كنند. در مقابل كميت‌هاي ماكروسكوپيك، كميت‌هاي ميكروسكوپيك قرار مي‌گيرند.
از نظر سير تاريخي هم ترموديناميك سهم بسيار مهمي در انقلاب صنعتي داشته است. ماشين‌هاي بخار كه گرما را به انرژي مكانيكي تبديل مي‌نمودند، به سرعت جايگزين نيروي انساني در كارگاه‌ها، كارخانه‌ها، معادن، حمل‌ و نقل،
كشتيراني و مزارع كشاورزي شدند. توماس سيوري، توماس نيوكامن و جيمز وات سازنده و تكميل كننده اولين ماشين‌هاي بخار بودند.

[ریپورتر]

فرض كنيد يك ظرف حاوي مقداري گاز داريم. براي توصيف وضعيت اين ظرف دو راه متفاوت از هم وجود دارد. راه اول ديدگاه ميكروسكوپي و روش دوم ديدگاه ماكروسكوپي ناميده مي‌شود.

ديدگاه ميكروسكوپييك راه براي توصيف وضعيت اين سيستم آن است كه اين گاز را متشكل از مولكول‌ها بدانيم و سپس بياييم مكان، سرعت، شتاب، انرژي جنبشي و ساير مشخصات اين مولكول‌ها را تك‌تك بدست آوريم و سپس در مورد اين سيستم اظهار نظر كنيم.
مكان، سرعت، شتاب و … جزء كميت‌هاي ميكروسكوپيك هستند؛ چون وضعيت تك‌تك ذرات را توصيف مي‌كنند. معلوم است كه عملاً امكاناندازه‌گيري اين كميت‌ها در مورد تك‌تك مولكول‌ها وجود ندارد. در ضمن اين كميت‌ها توسط حواس ما قابل درك نخواهند بود.
ديدگاه ميكروسكوپيك اساس مكانيك آماري است. در مكانيك آماري از مقادير ميانگين كميت‌هاي ميكروسكوپيك استفاده
مي‌شود. به كمك روش‌هاي آماري و قوانين مكانيك مي‌توان كميت‌هاي ماكروسكوپيك و قوانين حاكم بر آنها را بدست آورد.
ديدگاه ماكروسكوپيك
در اين ديدگاه براي توصيف سيستم از كميت‌هاي محدودي كه در آزمايشگاه قابل اندازه‌گيري هستند، استفاده مي‌شود. فشار، حجم، دما، گرما و … جزء كميت‌هاي ماكروسكوپيك هستند كه وضعين كل سيستم را توصيف مي‌كنند و به بررسي رفتار تك‌تك ذرات نمي‌پردازند.
كميت‌هاي ماكروسكوپيك برخلاف كميت‌هاي ميكروسكوپيك تعدادشان محدود بوده و توسط حواس هم قابل درك هستند. كميت‌هاي ماكروسكوپيك را مي‌توان بر اساس كميت‌هاي ميكروسكوپيك تعريف كرد. مثلاً فشار گاز را مي‌توان حاصل از برخورد مولكول‌ها به ديواره ظرف دانست و دما را بر حسب ميانگين انرژي جنبشي ذرات بيان كرد.
ديدگاه ماكروسكوپيك اساس و پايه ترموديناميك است.

[ریپورتر]

تاریخچه ترمودینامیک

سعدی کارنو (۱۷۹۶ - ۱۸۳۲): پدر ترمودینامیک


شروع ترمودینامیک از ساخت اولین پمپ خلأ در سال ۱۶۵۰ میلادی و توسط اتو ون جریکو شروع شد و ثابت کرد که نظریه ارسطو مبنی بر اینکه طبیعت از خلا متنفر است ،اشتباه است.مدتی بعد فیزیکدان و شیمی‌دان ایرلندی رابرت بویل طرز کار دستگاه جریکو را یاد گرفت و به همراه فیزیکدان انگلیسی رابرت هوک توانست اویلن پمپ هوا را در سال ۱۶۵۶ بسازد. و بین حجم و فشار رابطهذای تعریف کردند که امروزه به قانون بویل مشهور است. سپس در سال ۱۶۷۹ شریک بویل دنیس پاپین اولین bone digester را ساخت که یک ظرف دربسته با در محکم بود که در آن بخار با فشار بالا تولید می‌شد. بررسی علمی ماشین بخار توسط سعدی کارنو شروع شد به افتخار کارنو چرخه‌ای که بر اساس دو دما کار می‌کند که بالاترین بازدهی را دارد، چرخه کارنو نامیده‌اند.

[ریپورتر]

پنج نیروی مهم ترمودینامیک عبارتد از:

انرژی درونی

انرژی آزاد هلهمولتز

آنتالپی

انرژی آزاد گیبس



پتانسل بزرگ

[ریپورتر]

سامانه یا سیستم مجموعه یا گروهی از اشیاء مرتبط، یا غیر مرتبط است که هدف (اهدافی) خاص را دنبال می‌کنند، به نحوی که یک واحد پیچیده را تشکیل دهند. ترکیب کلی اجزا که برحسب طرح یا برنامه‌ای نظم یافته باشد.
مجموعه منظم قابل درکی از حقایق، اصول، نظریه‌ها و امثال آن‌ها در زمینه خاصی از دانش یا اندیشه، سیستم گفته می‌شود.
سامانه یا سیستم (منظومه، و دستگاه هم گفته شده است؛ مثل: منظومهء‌ شمسی - Solar system، و دستگاه معادلات خطّی - System of linear equations) همچیده‌ای از عناصر همپیوسته‌ای است که یک تمامیت یگانه را تشکیل می‌دهند. چنین ترکیب و همچیده‌ای معمولاً مجموعه‌ای سامانمند و منظم را درست می‌کند و به همین رو به آن سامانه می‌گویند که از واژه پارسی سامان به معنی نظم و ترتیب گرفته شده‌است. به بخشی از یک سامانه که خود جزئی از یک سامانه دیگر باشد زیرسامانه می‌گویند. یک سامانه معمولاً دربرگیرنده بخش‌ها و عناصری است که بهم پیوسته شده‌اند تا جریان و روند داده‌ها، ماده یا انرژی را آسانتر سازند. یک سامانه معمولاً واحدهایی دارای برهمکنش دارد که برای آنها می‌توان الگوهای ریاضی تشکیل داد.

[ریپورتر]

محیط، در ترمودینامیک، به قسمتی از فضا می‌گویند که جزو سیستم نبوده و آن را احاطه کرده باشد.
محیط ممکن است با سیستم تبادل انرژی (گرما) و جرم داشته باشد. برای توضیحات بیشتر در این مورد به سیستم‌های باز و بسته نگاه کنید.
همواره می‌توانیم محیط یک سیستم را کل جهان به جز آن در نظر بگیریم ولی در اکثر موارد به فرضیات ساده‌تری نیاز داریم. مثلاً در مورد کاسه‌ای که در یک اتاق قرار دارد، می‌توانیم فضای اتاق را محیط آن در نظر بگیریم بدون آنکه خطای قابل توجهی وارد محاسبات شود.

[ریپورتر]

منبع گرمایی یا منبع حرارتی سیستمی با اندازهٔ بسیار بزرگ نسبت به اندازهٔ سیستم مورد بررسی است که می‌تواند با آن برهم‌کنش گرمایی داشته باشد.
به دلیل بزرگی اندازهٔ این سیستم (منبع گرمایی) می‌توان دمای آن را تا پایان فرآیند ثابت فرض کرد


تعادل ترمودینامیکی، در سیستم‌های ترمودینامیکی، به حالتی گفته می‌شود که در آن سیستم در حالت تعادل مکانیکی، تعادل شیمیایی و تعادل گرمایی باشد.
وقتی که مختصات ترمودینامیکی یک سیستم به هر طریقی، چه خود به خود و چه به سبب عوامل خارجی تغییر کنند، گفته می‌شود که سیستم تغییر حالت داده است. هنگامی که حالت یک جسم تغییر می‌کند، معمولاً برهم‌کنش‌هایی بین سیستم و محیط آن رخ می‌دهد. هنگامی که شرایط برای هر سه نوع تعادل مکانیکی، شیمیایی و گرمایی برقرار باشند، اصطلاحا گفته می‌شود که سیستم در حالت تعادل ترمودینامیکی است. تحت این شرایط هیچ‌گونه تمایلی برای تغییر حالت، ‌نه در سیستم و نه در محیط آن، وجود ندارد.

[ریپورتر]

گازهای حقیقی گازهایی هستند که در شرایط گازهای ایده‌آل صدق نکرده و انحراف زیادی را از حالت گاز ایده‌آل نشان می‌دهند.
گازهای واقعی که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم را در دماهای بالا و فشارهای پایین می‌توان ایده‌آل فرض کرد

[ریپورتر]

گاز ایده‌آل یک تقریب از گازهای حقیقی است که برای مقاصد محاسباتی بکار می‌رود. گاز ایده‌آل به گازی گفته می‌شود که:

1. بین ذرات آن نیرویی وجود نداشته باشد و تنها برهم‌کنش بین ذرات، برخورد صلب باشد.
2. اندازهٔ ذرات نسبت به مسیر آزاد میانگین ناچیز باشد.

گازهای حقیقی را در چگالی‌های پایین با تقریب خوبی می‌توان ایده‌آل فرض کرد.





قانون گازهای ایده‌آل
گازهای ایده‌آل در حالت تعادل داخلی از معادلهٔ گاز ایده‌آل پیروی می‌کنند:
PV = nRTکه در آن P فشار داخلی سیستم، V حجم سیستم، n تعداد مول‌های ذرات سیستم، R ثابت جهانی گازها و T دمای سیستم با یکای کلوین است.