تبادل انرژی در فرآیندهای ترمودینامیکی
ترمودینامیک فقط به بررسی وضعیت ماده در حالت های تعادل می پردازد. سیستمی که در تعادل ترمودینامیکی است شرایط زیر برقرار است:
1- تعادل مکانیکی: هیچ نیروی خنثی نشده ای روی بخشی از سیستم یا روی کل سیستم وارد نمی شود.
2- تعادل گرمایی: هیچ اختلاف دمایی بین اجزای سیستم یا بین سیستم و محیط مجاور آن وجود ندارد.
3- تعادل شیمیایی: هیچ واکنش شیمیایی در داخل سیستم و هیچ گونه حرکتی از جانب اجزای شیمیایی آن برای رفتن از یک بخش به بخش دیگر وجود ندارد.
برای بررسی رفتار گاز با استفاده از علم ترمودینامیک، باید فرآیند (مثلا گرم کردن یا جا به جا پیستون) آن قدر آهسته انجام دهیم که سیستم در تمام لحظات خیلی نزدیک به حالت ترمودینامیکی باشد و در نتیجه متغیرهای ترمودینامیکی T,P,V گاز در حین فرآیند در همه جا یکسان و مقدار مشخصی داشته باشند.
تبادل انرژی
تبادل انرژی بین محیط و سیستم از طریق گرما وکار صورت می گیرد.
کار: اگر سیستم در اثر نیروی وارد بر آن تغییر مکان دهد، اصطلاحا گفته می شود که کار انجام شده است. مقدار کار برابر است با حاصلضرب نیرو در مولفه ی تغییر مکان به موازات نیرو. اگر کل سیستمی نیرو به محیط مجاور خود وارد کند و تغییر مکانی رخ دهد، کاری که توسط سیستم انجام می شود و یا بر روی سیستم انجام می گیرد، کار خارجی نامیده می شود. مثلا گازی که در داخل سیلندر تحت فشار یکنواختی قرار دارد وقتی منبسط می شود و پیستون را به حرکت در می آورد، بر روی محیط مجاور خود کار انجام می دهد.
کاری که توسط قسمتی از سیستم روی قسمت دیگر آن انجام می گیرد کار داخلی نامیده می شود، کار داخلی در ترمودینامیک جایی ندارد، فقط کار خارجی که شامل بر هم کنش بین یک سیستم و محیط مجاور آن می شود دارای اهمیت است.
نکته: کار محیط روی سیستم منفی و کار سیستم روی محیط مثبت است.
گرما: گرما صورتی از انرژی است که به علتاختلاف دما بین دو جسم مبادله می شود، به عبارت دیگر هنگامی بین محیط و سیستم گرما مبادله می شود که این دو با هم اختلاف دما داشته باشند. بنا بر قرارداد گرمایی که سیستم می گیرد با علامت مثبت و گرمایی را که سیستم از دست می دهد باعلامت منفی نشان می دهیم.
هنگامی که دستگاه با محیط تبادل گرما می کند، معمولا فرض می شود که با یک منبع گرما در تماس است.
منبع گرما
جسمی است که اگر گرما از دست بدهد یا بگیرد، دمای آن به طور قابل ملاحظه ای تغییر نکند. مثلا هوای اتاق را برای یک استکان چای داغ می توان منبع گرما در نظر گرفت؛ با سرد شدن چای دمای اتاق تغییر محسوسی نمی کند.
کار انجام شده روی سیستم یا توسط سیستم به مختصات ترمودینامیکی (متغیرهای ترمودینامیکی) سیستم بستگی ندارد بلکه بستگی به مسیری دارد که طی آن سیستم از حالت اولیه به حالت نهایی آورده شده است. دقیقا همین مطلب در مورد گرمای منتقل شده یا انتقال یافته از یک سیستم صادق می باشد. گرما تابعی از مختصات ترمودینامیکی نیست بلکه به مسیر بستگی دارد.
در ترمودینامیک وقتی سیستم از یک حالت اولیه با مختصات ترمودینامیکی T1,V1,P1 به حالت نهایی با مقادیر T2,V2,P2 می رود می گوییم که یک فرآیند ترمودینامیکی انجام شده است.
حالت ناپایدار: اگر دما یا فشار در تمام گاز یكسان نباشد حالت گاز پایدار نیست و مولكول ها یا اتم ها از مكان هایی كه فشار یا دما بیش تر است به جاهایی كه فشار یا دما كم تر است آنقدر جابه جا می شوند تا گاز به حالت تعادل برسد .
برای فهم بیشتر می توان فرآیندهای ترمودینامیکی را در دستگاه مختصات P-V یا V-T یا P-T نمایش داد. مثلا فرآیندی که در آن گاز در اثر ثابت نگه داشتن حجم از حالت T1,V1,P1 به حالت با T2,V2,P2 می رود می تواند با نمودار زیر نمایش داده شود.
در بین این فرآیندها، فرآیندهای خاصی وجود دارد که کاربرد آن ها وسیع تر است، از جمله: فرآیند هم حجم، فرآیند
هم فشار، فرآیندهم دما و فرآیندبی دررو.
محاسبه ی كار به كمك نمودار: سطح زیر نمودار (P-V ) برابر كار مبادله شده است اگر تراكم داشته باشیم ( W > 0 ) و اگر افزایش حجم (انبساط) داشته باشیم ( W < 0 )
مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: فاطمه گودرزی
تنظیم: نسیم گنجی منش
