آموزش ترمودینامیک

[ریپورتر]

انرژی آزاد هلمولتز تابعی ترمودینامیکی است که توانایی سیستم برای انجام کار را در شرایط هم‌دما نشان می‌دهد.


تعریف


که در آن:

• U انرژی درونی سیستم،
• T دمای سیستم در مقیاس کلوین و
• S انتروپی سیستم است.

[ریپورتر]

در ترمودینامیک، انرژی درونی به انرژی ذرات سازنده مواد اطلاق می‌شود که با U یا E نشان داده می‌شود. بالارفتن انرژی درونی به دو صورت تغییر دما یا فاز ماده ظاهر می‌شود. واحد انرژی درونی در سیستم SI، ژول است.

قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک بیان می‌کند:
که در آن تغییرات انرژی درونی تغییرات گرما تغییرات کار

[ریپورتر]

دما





مخفف: T
سرواژه عبارت: Temperature
کمیتی است بیانگر مقدار گرمای یک جسم. دما معیاری است برای تعیین میزان گرمی یا سردی یک جسم.
یکای این کمیت در سیستم متریک درجه کلوین می‌باشد. سایر واحدهای این کمیت عبارت‌اند از:

• درجه سلسیوس (درجه سانتیگراد)
• درجه فارنهایت

درجه رانکین نیز واحدی برای اندازه گیری دما است. ۲ واحد سانتی گراد و فارنهایت دمای نسبی، و ۲ واحد کلوین و رانکین دمای مطلق هستند. در واقع کلوین همان صفر مطلق در سیستم متریک است.


‎
در شیمی و سایر علوم، STP یا استاندارد دما و فشار مجموعهٔ استانداردی از شرایط برای اندازه‌گیری‌های تجربی است که مقایسه بین مجموعه‌ای از داده‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد. در حال حاضر، در میان همهٔ ملت‌ها شرایط STP تعیین‌شده توسط IUPAC (اتحادیهٔ بین‌المللی شیمی محض و کاربردی)، فشار مطلق ۱۰۰ کیلو پاسکال (معادل ۱ بار) و دمای ۲۷۳٫۱۵ کلوین (معادل صفر درجه سیلسیوس) است. برخی از سازمان‌ها گونه‌های دیگری از تعاریف معادل را برای «شرایط استاندارد از نظر دما و فشار» پذیرفته‌اند که از جملهٔ آنها SATP است.

[ریپورتر]

حجم

ریشه لغت

نماد لاتین: V
سرواژه عبارت: volume
تعریف

کمیتی است بیان کننده میزان فضای اشغال شده توسط یک جسم.
فرمول

فرمول های این کمیت عبارت‌اند از:

• V = fm
• V = abh
• V = nRT / P

که در سایر نمادها عبارت‌اند از:

• m: جرم
• f: چگالی
• a: طول
• b: عرض
• h: ارتفاع
• n: جرم مولی
• R: ثابت جهانی گاز
• T: دما (بر حسب کلوین)
• P: فشار (بر حسب اتمسفر)

یکا

یکای آن در سیستم متریک متر مکعب می‌باشد و سایر واحدهای آن عبارت‌اند از:

• بشکه
• پیمانه
• سانتیمتر مکعب
• گالون
• لیتر
• پک
• پینت

[ریپورتر]

جرم مولی





جرم مولی جرم یک مول از مولکول‌های یک ماده است. با تقسیم مقدار جرم مولی بر عدد آووگادرو می‌توان جرم یک مولکول را حساب کرد. از جرم مولی در محاسبهٔ کمیت‌ها در شیمی استفاده می‌شود. به دلیل پیچیدگی‌های موجود در تعیین جرم مولی با استفاده از روش‌های تجزیه، گاهی سنجش دقیق جرم مولی از طریق یک روش ممکن نیست و بهتر است در این حالت روش سنجش جرم مولی را با روش دیگری عوض کرد. در پلیمرها جرم مولی همان جرم مولی متوسط وزنی و جرم مولی متوسط عددی است.
روش‌های تعیین جرم مولی

• طیف‌سنجی جرمی
• تشدید مغناطیسی هسته

[ریپورتر]

ضریب انبساط حرارتی

وقتی به یک جسم حرارت می دهیم افزایش انرژی جنبشی ذرات سازنده باعث افزایش فاصلهٔ تعادلی اتم‌های پیوندی و در نتیجه افزایش طول پیوندهای شیمیایی می‌شود. افزایش طول این پیوندها موجب افزایش طول جامدات و افزایش حجم مواد می‌شود
ضریب انبساط حرارتی خطی

ضریب انبساط حرارتی خطی مواد به صورت زیر تعریف می‌شود:
که در آن α ضریب انبساط حرارتی خطی، طول اولیه، طول ثانویه و دما است.

[ریپورتر]

ظرفیت گرمایی یا ظرفیت حرارتی یک سیستم با C نشان داده می‌شود که عبارت است از نسبت گرمای مبادله شده با سیستم به تغییر دمای ناشی از مبادله گرما. مفهوم ظرفیت گرمایی فقط درمواردی به کارمی‌رود که مبادله گرما با سیستم تنها باعث تغییر دمای سیستم شود و در مواردی که تغییرفاز ایجادمی‌شود، به کارنمی‌رود.

ظرفیت گرمایی ویژه

نوشتار اصلی: ظرفیت حرارتی ویژه
ظرفیت گرمایی ویژه مقدار گرمایی است که با واحد جرم کنترلی سیستم مبادله می‌شود تا دمای آن ۱ درجه سانتیگراد تغییر یابد. ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده مقدار انرژی است که یک گرم از آن ماده دریافت می‌کند تادرجه حرارت آن ماده یک درجه سانتیگراد افزایش یابد. فرمول آن برابر است با :
Q = m c ΔT که در آن: Q برابر با انرژی مبادله شده m برابر با جرم c ظرفیت گرمایی ویژه جسم ΔT برابر با اختلاف دما است.[۱] واحدها

• جرم:گرم یا کیلوگرم در واحدهای SI
• انرژی:واحد اصلی آن ژول است اما از واحد کالری نیز استفاده می‌شود
• دما:از کلوین یا سانتی‌گراد استفاده می‌شود(چون هر دو یکا در یک رنج هستند در اختلاف دما تفاوتی مشاهده نمی‌شود)

[ریپورتر]

عوامل موثر بر ظرفیت گرمایی

• جرم مولی
• پیوند هیدروژنیکه باعث افزایش ظرفیت گرمای ویژه اب شده‌است)
• میزان فضای آزاد

تئوری انیشتن در ظرفیت گرمایی جامدات

در اوایل قرن ۲۰ ام، انیشتین تئوری کوانتوم را برای توضیح داده‌های تجربی عناصر جامد بکار برد. فرض شد که هر اتم در کریستال مانند یک نوسانگر هارمونیک با نوسان در طول سه جهت عمود بر هم رفتار کند. انرژی سطح ام نوسانگر هارمونیک بصورت زیر داده شده‌است: که فرکانس نوسان و ثابت پلانک است. بعلاوه که تعداد اتم‌های موجود در سطح انرژی ام است. با ادغام معادلات فوق و استفاده از روابط بین و عدد آووگادرو بدست می‌آوریم
که ثابت بولتزمان است. اگر باشد آنگاه داریم
باشد، با دنبال کردن مراحل استنتاج انیشتین (که نوشته نشده‌است)، بدست می‌آوریم
و
(از آنجایی که ، که
تئوری دبای در ظرفیت گرمایی جامدات

استنتاج انیشتین بعدها توسط دبای که بر خلاف انیشتین که یک فرکانس ثابت را برای ارتعاش فرض کرده بود، یک طیف از فرکانس ارتعاش را فرض کرد، تغییر یافت. دبای به رابطهٔ متفاوتی با عبارت دمای دبای رسید که:
در دماهای خیلی پائین (نزدیک ) معادلهٔ دبای می‌تواند بصورت زیر ساده شود:

معادلهٔ دبای به شرط استفاده از بهترین مقدار برای ، همخوانی بهتری با داده‌های تجربی دارد. ولی حتی در این حال نیز رضایت‌بخش نیست بعلاوه آن تنها مربوط به عناصری است که در حالت کریستالی هستند از اینرو بنا به کاربرد محدود آن، اندازه‌گیری تجربی روابط ظرفیت گرمایی بر حسب دما برای جامدات و مایعات یک شیوهٔ معمول است

[ریپورتر]

فرآیند برگشت‌پذیر


فرآیند برگشت پذیر(به انگلیسی: Reversible process) فرآیندی است که در آن با تغییر بسیار کوچکی در خصوصیات سیستم، بدون اتلاف انرژی، جهت واکنش برعکس می‌شود.
خصوصیات فرآیند برگشت پذیر

در این نوع فرآیند آنتروپی ثابت میماند[۱] و تغییر انرژی آزاد گیبس دقیقا برابر با تغییر آنتالپی است زیرا انرژی آزاد گیبس از فرمول زیر تبعیت می‌کند:
که در آن
T دما G انرژی ازاد گیبس H آنتالپی
و S آنتروپی است
و چون تغییرات آنتروپی برابر صفر است معادله به صورت زیر در می‌آید:

[ریپورتر]

فرآیند خودبخودی

فرآیند خودبخودی نوعی فرآیند شیمیایی است که بدون نیاز به انرژی اضافی انجام می‌شود.
خصوصیات این واکنش‌ها

در این واکنش‌ها، انرژی آزاد گیبس در حال کاهش است. انرژی آزاد گیبس به صورت زیر تعریف می‌شود:
که در آن
T دما G انرژی آزاد گیبس H آنتالپی
و S آنتروپی است.