دانلود مقاله ترمودینامیک و انتقال حرارت

بخشی از مقاله

سعدی کارنو (۱۷۹۶ - ۱۸۳۲): پدر ترمودینامیک
شروع ترمودینامیک از ساخت اولین پمپ خلأ در سال ۱۶۵۰ میلادی و توسط اتو ون جریکو (به انگلیسی: Otto von Guericke) 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.[۴] 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.

علم بررسی رفتار مواد در برابر کار و انرژی (معمولاً به شکل گرما) است.
ترمودینامیک حالت تعادل سیستم را بررسی می‌کند و ارتباطی به زمان ندارد.
قوانین ترمودینامیک
قانون صفرم ترمودینامیک
قانون اول ترمودینامیک
قانون دوم ترمودینامیک
قانون سوم 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 تعادلند.
قانون اول ترمودینامیک
در متن این مقاله یا بخش از هیچ منبعی نام برده نشده‌است. شما می‌توانید با افزودن منابع بر طبق شیوه‌نامهٔ ارجاع به منابع، به ویکی‌پدیا کمک کنید.
قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید که حالت تعادل ماکروسکوپی یک سیستم با کمیتی به نام انرژی درونی (U) بیان می‌شود. انرژی درونی دارای خاصیتی است که برای یک سیستم منزوی (ایزوله) داریم:
U=مقدار ثابت
اگر به سیستم اجازهٔ برهم‌کنش با محیط داده شود، سیستم از حالت ماکروسکوپی اولیهٔ خود به حالت ماکروسکوپی دیگری منتقل می‌شود که تغییر انرژی درونی را برای این تحول (فرآیند) می‌توان به شکل زیر نشان داد:
ΔU = Q − W
که در این فرمول W، کار ماکروسکوپی انجام شده توسط سیستم در برابر نیروی خارجی و Q مقدار گرمای جذب شده توسط سیستم در طی این فرآیند است.
نمادگذاری
شمیی و فیزیک
چون در شیمی و فیزیک سیستم مورد توجه است، گرما و کاری که به سیمتم داده می‌شود مورد نظر ماست و انرژی درونی را Q+W در نظر می‌گیریم.

where
dU یک افزایش بی‌اندازه کوچک در انرژی درونی سیستم است.,
δQ یک مقدار بی‌اندازه کوچک از گرما که به سیستم افزوده می‌شود,
δW یک کار بی‌اندازه کوچک که بر روی سیستم انجام می‌شود و
δ نماد دیفرانسیل است.
قانون دوم ترمودینامیک
قانون اول ترمودینامیک تنها بیانی از تئوری کار و انرژی یا قانون بقای انرژی است. یک آونگ ساده یا یک آونگ ایده‌آل برای همیشه به نوسان ادامه می‌دهد. فیلمی از یک آونگ که به جلو و عقب نوسان می‌کند را در نظر بگیرید. اگر ما فیلم را برعکس نشان بدهیم، نخواهیم توانست آن را از حالت عادی تشخیص بدهیم.
اما برداری (نشانگری) برای زمان وجود دارد. دامنهٔ نوسان آونگ به تدریج کوجکتر

می‌شود. اگر توپی را از ارتفاع خاصی رها کنید، در هر بار برخورد توپ با زمین، کمتر از دفعهٔ قبل بالا خواهد آمد. فیلمی از این توپ در دنیای واقعی، هنگام پخش برعکس، متفاوت دیده خواهدشد. قطعات یخ در داخل فنجان چای ذوب می‌شوند در حالی که چای سردتر می‌شود.
هیچ تناقضی با قانون اول ترمودینامیک نخواهد داشت اگر ما ببینیم که در داخل یک فنجان چای قطعات یخ تشکیل شده و چای گرمتر شود. این با قانون بقای انرژی سازگار است اما «ما هیچگاه چنین چیزی را نمی‌بینیم». قانون دوم ترمودینامیک توضیح می‌دهد که چرا چنین چیزی اتفاق نمی‌افتد.
۱ بیان کلوین-پلانک
2 بیان کلازیوس
۳ ارتباط این دو بیان
۴ جستارهای وابسته
بیان کلوین-پلانک
ساخت یک موتور گرمایی سیکلی (چرخه‌ای) که جر جذب گرما از منبع و انجام کار مساوی با گرمای چذب شده تأثیر دیگری بر محیط نداشته باشد، غیر ممکن است.
یا می‌توان گفت که: ساخت ماشین گرمایی با بازدهی ۱۰۰ درصد غیرممکن است.
بیان کلازیوس
ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال مداوم گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، غیر ممکن است.
ارتباط این دو بیان
این دو بیان قانون دوم ترمودینامیک معادل (هم‌ارز) هستند. اگر بتوان یکی از آنها را نقض کرد، دیگری نیز نقض می‌شود
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 ،
از رابطهٔ بین انرژی درونی و دما، رابطهٔ بالا را می‌توان به صورت زیر نوشت:
اما در هنگام کاربرد این قانون باید توجه داشت که در این دما سیستم در حال تعادل است یا نه. زیرا با پایین آمدن دما، سرعت رسیدن به تعادل خیلی زیاد می‌شود.

ترمودینامیک کلاسیک
ترمودینامیک کلاسیک شاخه‌ای از ترمودینامیک است که معمولاً سیستم‌ها را از روی خواص ماکروسکوپی آنها مورد بررسی قرار می‌دهد.
دیدگاه میکروسکوپی ترمودینامیک کلاسیک
۲۲٫۴ لیتر گاز تک اتمی را در دمای ۲۷۳ کلوین در نظر بگیرید. این گاز یک مول اتم گازی شکل داشته و دارای ‎۶٫۰۲۲×۱۰۲۳ اتم است. برای مشخص کردن حالت این گاز از دیدگاه میکروسکوپی، باید مقادیر ۳ متغیر مختصاتی فضایی و ۳ متغیر سرعتی متناظر را مشخص کنیم. بنابراین ما با ‎۳۶٫۱۳۲×۱۰۲۳ مقدار متغیر سروکار خواهیم داشت.
حتی با یک کامپیوتر نیز انجام چنین محاسباتی وقت گیر است. بنابراین این دیدگاه در ترمودینامیک کلاسیک کاربد چندانی نداشته و بجای آن از ترمودینامیک آماری که بر پایهٔ مکانیک آماری استوار است، استفاده می‌شود.
برخی از کتابها این دیدگاه را جزو ترمودینامیک آماری به حساب می‌آورند.
دیدگاه ماکروسکوپی ترمودینامیک کلاسیک
در این دیدگاه اثرات کلی یا متوسط ذرات در نظر گرفته شده و بر روی آنها بحث می‌شود. مثلاً فشار معیاری از سرعت متوسط ذرات گاز است.
انتروپی
۱ تفاسیر مختلف انتروپی
۲ مفهوم ترمودینامیکی
۳ انواع انتروپی
۴ جستارهای وابسته
تفاسیر مختلف انتروپی
واژهٔ اِنتروپی یا آنتروپی در رشته‌های گوناگون علمی، معانی متفاوت پیدا کرده است که اساسی‌ترین آنها در زیر آورده شده‌اند.
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.

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 گاز
واحد 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.
انواع انتروپی
انتروپی حرارتی
انتروپی آماری (وضعیتی)
پنج نیروی مهم ترمودینامیک عبارتد از:

انرژی درونی
انرژی آزاد هلهمولتز
آنتالپی
انرژی آزاد گیبس
پتانسل بزرگ

گرما

هنگامي که دو جسم با دماهاي متفاوت در تماس با يکديگر قرار گيرند انرژي از جسم گرمتر به جسم سرد تر ميرود به انرژي که در اين شرايط منتقل مي شود انرژي گرمايي مي گويند

الف - گرما و حرکت مولکولي
ميدانيد که ماده از مولکولها تشکيل شده است اين مولکولها ساکن نيستند بلکه دائما در حال حرکت هستند نوع حرکت آنها بستگي به حالت ماده دارد يکي از اثرهاي گرما بر ماده اين است که حرکت آنها را سرعتر مي کند و فاصله مولکول ها را افزايش مي دهد در نتيجه موجب افزايش طول سطح و حجم جامدات و حجم مايعات و گازها مي شود

ب- گرما وانرژي دروني
مولکولهاي اجسام چون در حرکتند داراي انرژي جنبشي ميباشند و چون بين آنها نيروهاي پيوستگي وجود دارد به سبب وضع و حالت خود داراي انرژي پتانسيل نيز هستند هنگاميکه ماده اي را گرم مي کنيم انرژيهاي جنبشي و پتانسيل مولکولها هردو افزايش مي يابد مجموع انرژيهاي جنبشي وپتانسيل تمام ملکولهاي يک ماده را انرژي دروني يا گرمايي آن ماده مينامند

دما
دما کميتي است نسبي و مقايسه اي و حالت جسم را نشان مي دهد به عبارت ديگر درجه
گرمي جسم را نشان مي دهد نه انرژي گرمايي آن را

دماسنجها
دماسنج وسيله اندازه گيري دماي اجسام است که بر اساس انبساط اجسام کار مي کنند

مدرج کردن دماسنجها
براي مدرج کردن دماسنجها از دو نقطه ثابت در طبيعت استفاده مي شود يکي نقطه پاييني که معمولا نقطه ذوب يخ يا نقطه انجماد آب خالص در فشار يک اتمسفر بوده و دومي نقطه بالايي که نقطه جوش آب خالص در فشار يک اتمسفر مي باشد

الف - سلسيوس يا سانتيگراد
در اين دماسنج نقطه ذوب يخ صفر درجه و نقطه جوش آب صد انتخاب شده است و فاصله بين صفر وصد به صد قسمت مساوي تقسيم شده است

ب - فارنهايت
نقطه ذوب يخ 32 و نقطه جوش آب 212 انتخاب شده است و فاصله بين به 180 قسمت مساوي تقسيم شده است

ج - کلوين يا مطلق
نقطه ذوب يخ 273 و نقطه جوش آب 373 و فاصله بين به 100 قسمت مساوي تقسيم شده است

د - رئومر
نقطه ذوب يخ صفر و نقطه جوش آب 80 درجه و فاصله بين به 80 قسمت مساوي تقسيم شده است

رابطه دماها در دماسنجهاي مختلف
اگر دماسنج سلسيوس دماي جسمي راC ، فارنهايت همان دما را F ، کلوين آن را T و رئومر R نشان دهد رابطه بين آنها به صورت زير است

فشار
فشار بزرگي نيرويي است که به طور مودي بر واحد سطح اثر مي کند

صفر مطلق
پايين ترين دماي ممکن است که صفر مطلق مي نامند در اين دما حرکت مولکولها کاملا متوقف است و انرژي دروني ماده به کمترين مقدار ممکن مي رسد رابطه بين دما کلوين و سلسيوس با توجه به فرمولهاي قبل به صورت زير است

انبساط جامدات
گرما موجب افزايش فاصله مولکولها يا انبساط اجسام مي شود که در جامدات افزايش دماموجب انبساط طولي - سطحي و حجمي مي شود و در سيالات باعث افزايش حجم مي شود

انبساط طولي جامدات
اگر طول جسمي در دماي برابر در دماي برابر باشد رابطه بين آنها به صورت زير مي باشد


تعريف ضريب انبساط طولي
اندازه انبساط واحد طول جامد را وقتي دماي آن يک درجه افزايش مي يابد ضريب انبساط طولي مي نامند که با واحد بيان مي شود
با توجه به فرمول فوق ميزان افزايش طول از رابطه و افزايش طول نسبي
از رابطه به دست مي آيد
انبساط سطحي جامدات
سطح جامدات نيز بر اثر تغييردما تغيير مي کند روابط محاسبه مانند انبساط طولي
مي باشد


=مساحت جديد =مساحت اوليه

تغيير دما =تغييرات مساحت

= ضريب انبساط سطحي
ضريب انبساط سطحي
افزايش واحد سطح جسم وقتيکه دماي يک جسم يک درجه افزايش مي يابد . براي هر جسم رابطه تقريبي برقرار است

انبساط حجمي جامدات
حجم جامدات نيز بر اثر تغيير دما تغيير مي کند

=حجم جديد =حجم اوليه

=ضريب انبساط حجمي جامد =تغييرات حجم

انبسا ط مايعات
مايعات نيز بر اثر افزايش دما منبسط مي شود

مشخصه هاي گازها
براي يک گاز فشار P وحجم V و دما T و مقدار يا تعداد ملکول گرم ها را مشخصه هاي ترموديناميکي گاز مي نامند

تحول يک گاز
تحول يک گاز يعني تغيير مشخصه هاي گاز
الف - تحول مقدار معيني از گاز در دماي ثابت - فرآيند هم دما
حاصلضرب فشار در حجم معيني از يک گاز در دماي ثابت مقداريست ثابت
مقدار ثابت

سطح محصور در نمودار فشار -حجم (P-V ) در هر تحول برابر است با کار انجام شده توسط گاز که اگر تحول در جهت افزايش حجم باشد گاز کار مثبت انجام مي دهد و اگر در جهت کاهش حجم باشد گاز کار منفي انجام مي دهد
تحول مقدار معيني از گاز در فشار ثابت- فرآيند هم فشار
در فشار ثابت حجم مقدار معيني از گاز با دماي مطلق گاز نسبت مستقيم دارد
مقدار ثابت

ضريب انبساط حجمي در فشار ثابت
در فشار ثابت اگر دماي گاز ضفر درجه اي را 1 درجه افزايش دهيم به حجم گاز به اندازه
حجم اوليه افزوده مي شود که را ضريب انبساط حجمي در فشار ثابت
مينامند که براي کليه گازهاي کامل مقداريست ثابت
نمودار تغييرات حجم بر حسب دما در فشار ثابت
اگر حجم گاز در صفر درجه سلسيوس و در درجه بناميم مي توان نوشت

که مانند تابع خط راستي است با ضريب زاويه
تحول در مقدار معين از گاز در حجم ثابت - فرآيند هم حجم
در حجم ثابت فشار گاز با دماي مطلق گاز نسبت مستقيم دارد
مقدار ثابت

فرمول کلي گازها
براي يک گاز کامل رابطه زير برقرار است

=فشار بر حسب پاسکال =حجم بر حسب متر مکعب

بر حسب جرم گاز و جرم مولکولي =دما بر حسب کلوين

تحول گاز در حالت کلي
براي دو حالت مختلف گاز مي توان نوشت