بخشی از مقاله
چکیده:
مبحث ترمودینامیک شیمیایی در کتاب سال سوم دبیرستان مطرح شده است. برای تدریس بهتر این فصل تصمیم گرفتم مطالعه ی بیشتری در این رابطه از کتابهای مختل داشته باشم و با ذکر مثال ها و تمرین های بیشتر که در کتاب درسی به آنها خیلی کم اشاره شده است، بتوانم نیاز دانش آموزان را برطرف کنم.
مقدمه :
ترمودینامیک: «مطالعه ی شیمی فیزیک را با ترمودینامیک آغاز می کنیم. ترمودینامیک (از کلمات یونانی «گرما» و «توان») مطالعه ی گرما، کار، انرژی و تغییرات در حالتهای سیستم توسط آنهاست. در یک مفهوم وسیعتر، ترمودنیامیک روابط میان خواص ماکروسکوپی سیستم را مطالعه می کند. خاصیت کلیدی در ترمودینامیک دماست و گاهی ترمودینامیک به عنوان مطالعه ی رابطه ی دما با خواص ماکروسکوپی ماده تعریف می شود.
(ترمودینامیک برگشت ناپذیر با سیستمهای غیر تعادلی و فرایندهای مرتبط است مطالعه خواهیم کرد. ترمودینامیک تعادلی یک علم ماکروسکوپی بوده و مستقل از هر نوع نظریه ی ساختار مولکولی است. به عبارت صریح، واژه ی مولکول در واژگان ترمودینامیک موجود نیست. هر چند نمی خواهیم وسواس به خرج دهیم، اما اغلب مفاهیم مولکولی را برای کمک در فهم ترمودینامیک بکار خواهیم برد. ترمودینامیک برای سیستمهای با ابعاد مولکولی بکار نمی رود، یک سیستم باید شامل تعداد زیادی مولکول باشد تا رفتار ترمودینامیک داشته باشد.»
(ایرالوین- چاپ 1382- ص 3- جلد اول)
سیستمهای ترمودینامیکی:
«بخش ماکروسکوپی از جهان که مورد مطالعه ی ترمودینامیکی قرار می گیرد، ترمودینامیکی قرار می گیرد، سیستم نامیده می شود. بخشهایی از جهان که بتواند با سیستم بر هم کنش داشته باشند محیط نامیده می شود.
به عنوان مثال، به منظور مطالعه ی فشار بخار آب به صورت تابعی از دما، می توان یک ظرف آب کاملاً مسدود شده (که از هوا تخلیه شده باشد) را در حمامی با دمای ثابت قرار داد و یک فشار سنج را جهت اندازه گیری فشار به آن متصل کرد. در اینجا، سیستم شامل آب مایع و بخار آب موجود در ظرف بوده و محیط شامل حمام با دمای ثابت و جیوه ی درون فشار سنج است.
یک سیستم باز آن است که ماده بتواند بین سیستم و محیط منتقل شود. یک سیستم بسته آن است که ماده نتواند میان سیستم و محیط انتقال یابد. یک سیستم منزوی آن است که بر هم کنش با محیطش نداشته باشد بدیهی است یک سیستم منزوی یک سیستم بسته است، اما هر سیستم بسته ای منزوی نیست.
در یک سیستم منزوی، ماده و انرژی بین سیستم و محیط جابجا نمی شود. برای یک سیستم بسته، انرژی می تواند بین سیستم و محیط انتقال یابد، اما ماده نمی تواند منتقل شود. برای یک سیستم باز، هم ماده و هم انرژی می تواند میان سیستم و محیط منتقل شود.
یک سیستم ترمودینامیکی باز یا بسته، منزوی یا غیر منزوی است. توجه به نوع سیستم مورد مطالعه مهم است، به طوری که یک عبارت ترمودینامیکی ممکن است برای یک نوع سیستم معتبر بوده اما برای سایر سیستم ها اعتبار نداشته باشد. معمولاً ما با سیستم های بسته سر و کار داریم.»
(ایرالوین- چاپ 1382- ص 3و 4- جلد اول)
خواص ترمودینامیکی:
«یک خاصیت ترمودینامیکی مقداری عبارت از خاصیتی است که مقدار آن معادل جمع مقادیر مربوط به قسمتهای مختلف سیستم باشد. لذا اگر سیستمی به دو قسمت تقسیم شود جرم سیستم مجموع جرمهای آن دو قسمت است جرم یک خاصیت مقداری است حجم نیز همین است خواصی را که به مقدار ماده در سیستم وابسته نباشد شدت می نامند. چگالی و فشار نمونه هایی از خواص شدتی هستند. یک قطره ی آب یا یک استخر شنای پر از آب، چگالی یکسانی دارند و لذا چگالی یک خاصیت شدتی است.»
(ایرالوین- چاپ 1382- ص 6و7 - جلد اول)
قانون اول ترمودینامیک:
«قانون اول ترمودینامیک که معمولاً قانون بقای انرژی نامیده می شود، به تعریف یک تابع حالت ترمودینامیکی جدید، انرژی داخلی V، منجر می شود. یک تابع حالت اضافی، آنتالپی H، به دلایل مناسب بودن بر حسب V,P,U تعریف می شود.
گرما شیمی که با گرمای حاصل از واکنش های شیمیایی و فرایندهای محلول سر و کار دارد، بر مبنای قانون اول پایه گذاری می شود. اگر ظرفیت های گرمائی واکنش دهندگان و محصولات مشخص باشند گرمای واکنش را می توان در صورتی که در یک دما معلوم باشد در دماهای دیگر محاسبه کرد.»
(آلبرتی- چاپ 1374- ص 40- جلد اول)
«قانون اول ترمودینامیک اصل موضوعی است که در آن یک خاصیت U به نام انرژی داخلی یافت می شود که (1) تابع حالت متغیرهای سیستم است و (2) در مورد آن تغییر را می توان برای فرایندی که در سیستم بسته صورت می گیرد با به کارگیری معادله ی محاسبه کرد.
اکنون این شکل ریاضی قانون اول خیلی واضح به نظر می رسد، ولی تا قبل از 1850 اصلاً واضح نبود.
قبل از 1850 اصل بقای انرژی در سیستمهای مکانیکی درک شده بود ولی نقش گرما در این اصل روشن نبود تا اینکه آزمایشهای ژول به معادله ی منجر شد. توجه داشته باشید که قانون اول مفهومی برای تعیین تغییرات انرژی داخلی، نه مقدار مطلق انرژی داخلی، فراهم می سازد.
اگر منفی باشد می توان گفت که سیستم انرژی را به صورت گرما از دست می دهد که آزاد می شود و کار که توسط سیستم انجام می گیرد قانون اول از معادله ی پیروی می کند و درباره اینکه چه مقدار کار انجام می گیرد، چیزی برای گفتن ندارد. به عبارت دیگر، کاهش انرژی داخلی کلاً به صورت کار ظاهر می شود (0=q). امکان دیگر این است که حتی بیش از این مقدار کار انجام می شود و گرما جذب شود (0q>)، به طریقی که از معادله ی پیروی کند. اگر چه قانون اول ترمودینامیک در مورد مقادیر نسبی گرما و کار چیزی برای گفتن ندارد، ولی قانون دوم این را بیان می کند.
قانون اول غالباً بدین صورت بیان می شود که انرژی می تواند از صورتی به صورت دیگر تبدیل شود ولی انرژی را نه می توان خلق کرد و نه از بین برد. پس انرژی کل یک سیستم منزوی ثابت است.
انرژی داخلی سیستم یک خاصیت مقداری است لذا اگر سیستمی را دوبرابر کنیم. انرژی داخلی آن دو برابر می شود. به هر حال، انرژی داخلی به ازای یک مول یک خاصیت شدتی است»
(آلبرتی- چاپ 1374- ص 52، 51،50- جلد اول)
مطالعه ترمودینامیک را مهندسین قرن نوزدهم آغاز کردند؛ آنها می خواستند بدانند قوانین ترمودینامیک محدودیتهایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده انرژی مکانیکی تحمیل می کنند. ترمودینامیک درباره تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکلهای انرژی بحث می کند. این کار با مطالعه روابط بین پارامترهای صرفاً ماکروسکوپی صورت می گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می کنند. این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوماً تا حدی خام است، چرا که همه جزئیات کوچک مقیاس و میکروسکوپی را نادیده می گیرد. اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند، برای مثال، مهندسی که رفتارهای گاز حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می کند می تواند با کمیتهای ماکروسکوپی همچون دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.
در واقع دانشمندان به دنبال یافتن این پرسش بودند که آیا می توان ماشینی به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد. آنها مدتی بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرحهایی برای این کار پیشنهاد نمودند. شکل زیر یکی از این طرحها را نشان می دهد. هدف این بود که ابزار ساخته شده بدون مصرف هیچ گونه سوخت یا هر گونه انرژی ورودی دیگر، کار خروجی بی پایانی را تامین کند. در شکل میله های کوتاه لولا شده، که به میخ ها تکیه دارند، وزنه ها را به چرخ متصل می کنند. وقتی میله ها در وضعیت نشان داده شده هستند، عدم توازنی در توزیع وزن وجود دارد که موجب ایجاد یک گشتاور ساعتگرد خواهد شد که چرخ را در جهت نشان داده شده می چرخاند، طراح می پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را در جهت نشان داده شده می چرخاند، طراحی می پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را حفظ می کند، بلکه به طور دائمی به محور آن انرژی می دهد. اما انچه در عمل اتفاق می افتد این است که پس از یک دور چرخیدن، جرم ها در یک وضعیت متعادل باقی می مانند و حرکت متوقف می شود.
