ترمودینامیک

  ترمودینامیک

واژه ترمودینامیک از دو واژه یونانی ترمو به معنی گرما و دینامیک به معنی پویایی وقدرت تشکیل شده است . کلمه دینامیک در واژه این علم به معنی این است که ترمودینامیک علم بررسی انرژی در حرکت و پویایی اجسام و سیستمها است ، به همین دلیل واژه معادل فارسی ترمودینامیک ، گرماپویایی است . در این علم تمام جنبه های انرژی و تبدیلات آن از قبیل تولید قدرت ، تبرید و سرمایش توصیف می شوند .
ترمودینامیک علم بررسی رفتار مواد در برابر

کار و انرژی (معمولاً به شکل گرما) است. در ترمودینامیک درمورد روش‌های تبدیل انرژی و تغییرات خواص ماده در اثر تبدیل انرژی، تغییر فاز و یا تماس با ماده دیگر بحث می‌ شود. این تعریف بسیارکلی است و در واقع هنگامی می‌توان این تعریف را واقعاً درک کرد که با جوانب کاربردی آن آشنا شده باشیم.
تعریف دقیق ترمودینامیک درهمه کتابهای ترمودینامیک و جزوات درسی دانشجویان موجود است که آن را علم کار و حرارت یا دانش انرژی و انتروپی خوانده اند .

می دانیم که ماده از تعداد زیادی ذرات به نام مولکول تشکیل شده است که خواص یک ماده بطور طبیعی به رفتار این ذرات وابسته است . مثلا برای تعریف فشار یک گاز از برخورد مولکوها و انتقال اندازه حرکت آنها کمک می گیریم ؛ حال با دانستن این موضوع به این نکته اشاره می کنیم که برای تعیین فشار داخل یک محفظه لازم نیست که از رفتار ذرات گاز اطلاع دقیق داشته باشیم و با اتصال یک فشار سنج به آن محفظه نیز می توان فشارآن را یافت .
در ترمودینامیک ،این روش که یک دید کلی و باز یا به عبارتی یک دید ماکروسکوپی به رفتار اجسام است و نیاز به اطلاع از رفتار ذرات ندارد ، ترمودینامیک کلاسیک نام دارد .

درمقابل اگر با یک دید دقیق و میکروسکوپی به رفتار اجسام بنگریم و مبنای عمل ، میانگین رفتار گروههای بزرگ ذرات باشد در علم ترمودینامیک آماری به سر می بریم .

ترمودینامیک نیز مانند تمام علوم ، یک علم آزمایشگاهی و تجربی است که بنیان آن بر اساس چند اصل ساده و بسیلر مهم شکل گرفته است که به قوانین ترمودینامیک موسوم هستند که این قوانین نیز برگرفته از مشاهدات تجربی است .
بسیاری ازتجهیزات مهندسی شامل دستگاههای تاسیساتی ، تجهیزات نیروگاهی ، توربین های گاز ، موتورهای احتراق داخلی ، یخچال ها وبسیاری از دیگر اختراعات بشر بر پایه علم ترمودینامیک شکل گرفته است .

مشهود ترین کاربردهای ترمودینامیک در سیکلهای توان ( قدرت ) و سیکلهای تبرید ( سرمایش ) یافت می شوند.

ازاین میان می توان به سه مثال خوب از دستگاههای ترمودینامیکی اشاره کرد :

نیروگاه ساده بخار
موتورهای احتراق داخلی
یخچال ساده ومعمولی

 
تاریخچه ی ترمودینامیک

سیر تاریخی علم ترمودینامیک بصورت زیر می‌باشد (کلیه تاریخ‌ها میلادی می‌باشند):

۱۷۹۸- کنت رامفورد (بنجامین تامسون) مطالعه تبدیل کار به گرما را طی آزمایش مشهور مته و تخته آغاز نمود.

۱۷۹۹- سرهامفری دیوی تبدیل کار به حرارت را با آزمایش سابیدن یخ مطالعه نمود.

۱۸۲۴-  کارنو تئوری مشهور خود «بازتابی بر نیروی محرک آتش» منتشر نمود که در برگیرنده اصل جدیدی در باره تعریف چرخه و اصلی که توضیف کننده آن بود که چرخه بازگشت پذیر بین دو منبع حرارتی تنها به دمای منابع بستگی دارد و نه به موادکاری

۱۸۴۲- مایر اصل بقا انرژی را ارائه نمود.

۱۸۴۷- هلمهولتز اصل بقا انرژی را بصورت مستقل از مایر فروموله نمود.

۱۸۴۳-۱۸۴۸- جیمز پریسکات ژول با ترتیب دادن آزمایشاتی چهارچوب تجربی قانون اول ترمودینامیک را بنیان نهاد. امروزه به پاس این دانشمند بزرگ حرف J برای نمایش معادل مکانیکی کار استفاده می‌شود.

۱۸۴۸- لرد کلوین (ویلیام تامسون) واحد درجه حرارت مطلق را بر مبنای چرخه کارنو تعریف نمود.

۱۸۵۰- رودلف کلاوزیوس احتمالا به عنوان اولین کسی که به وجود دو قانون اساسی ترمودینامیک: قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک پی برد.

۱۸۶۵- کلاوزیوس قوانین اول و دوم ترمودینامیک را در دو خط بیان نمود:
انرژی جهان دارای مقدار ثابتی است.
آنتروپی جهان تمایل به بیشینه شدن دارد.

۱۸۷۵- جوسایا ویلارد گیبز گزارش سرنوشت ساز خود «در برابری مواد ناهمگون» را که ترمودینامیک را به سیستم‌های ناهمگون و واکنش‌های شیمیایی بسط داد منتشر نمود. این گزارش اصل مهم پتانسیل شیمیایی را توصیف می‌نمود.

۱۸۹۷- ماکس پلانک قانون دوم ترمودینامیک را به صورت: «غیرممکن است بتوان موتوری ساخت که در یک چرخه کامل کار نموده و اثر دیگری غیر از بالا بردن وزنه و خنک نمودن یک منبع حرارتی داشته باشد.» بیان نمود.

۱۹۰۹- کاراتئودوری ساختار جدیدی از ترمودینامیک را بر مبنای جدیدی که کاملا فرم ریاضی داشت منتشر نمود.

 
سوال های مربوط به ظرفیت گرمایی

1) مقدار گرمای لازم برای افزایش یک گرم آب به اندازه ی یک درجه ی سلسیوس را محاسبه کنید.

2) برای افزایش دمای 75 گرم سرب به میزان 10 درجه سانتی گراد به 96 ژول گرما نیاز  می باشد . ظرفیت گرمایی ویژه وظرفیت گرمایی مولی سرب را محاسبه کنید .

3)برای کاهش دمای 500 گرم آمونیاک از دمای 25 درجه سلسیوس به دمای 5 درجه سلسیوس چه مقدار گرما باید از آن گرفته شود ؟

 

4)  هرگاه  100   گرم آب    83.68   کیلوژول انرژی از دست بدهد دمای آن چند درجه تغییر می کند ؟

5)  50 گرم از فلز فرضی X  به مقدار   260  ژول انرژی نیاز دارد تا دمایش به اندازه  4   درجه افزایش پیدا کند . ظرفیت گرمایی ویژه فلز X چقدر است ؟

6)   یک فنجان چای چند ژول انرژی باید از دست بدهد تا دمای آن از  60  درجه به دمای بدن  37  درجه سلسیوس کاهش یابد ؟ (فرض کنید که فنجان  250  میلی لیتر چایی دارد . چگالی چای را g  / mL 1 فرض کرده و گرمای ویژه چای همان گرمای ویژه آب است . )

7) الف) هرگاه بخواهیم دمای   350   گرم آب را از   25   درجه به  3   درجه سلسیوس کاهش دهیم چقدر گرما باید از آن بگیریم ؟

ب) اگر برای افزایش دمای سرب به جرم 38 گرم به اندازه ی 5درجه سلسیوس   به  48  ژول گرما نیاز باشد ظرفیت گرمایی ویژه و ظرفیت گرمایی مولی سرب را محاسبه کنید .

8)  با توجه به جدول زیر بادادن گرمای معین به هر کدام از مواد جدول دمای کدامیک بیشتر تغییرمی کند ؟

 

نام ماده
    

طلا
    

کربن
    

چوب

گرمای ویژه (Jg-1˚C-1)
    

0.012
    

0.720
    

1.76

 
فشار

تعریف فشار : نیروی عمودی وارد بر واحد سطح

یکا های فشار

1) پاسکال    Pa

2) اتمسفر     atm

3) میلی متر جیوه    mmHg

4) سانتی متر جیوه    CmHg

5) تور  Torr

6) بار   bar

1atm = 101.325K Pa

1bar = 100KPa

1Torr = 1mmHg

1atm = 760 mmHg = 760 Torr

1CmHg = 10 mmHg

 
 انرژی

تعریف انرژی : توانایی انجام کار

یکاهای انرژی :

1) ژول  ( J )

2)کالری ( cal )

3) کیلوکالری  ( Kcal  )

4) کالری رژیم غذایی  ( Cal  )

1cal=4.184J


1Kcal = 1000 cal = 4184 J

 
1Cal =1000 cal =1 Kcal

تعریف کالری : مقدار گرمای لازم برای افزایش  دمای یک گرم آب خالص   به اندازه ی یک درجه ی سلسیوس  ( از 14.5 درجه به 15.5 درجه )

تعریف کالری رژیم غذایی : مقدار انرژی حاصل از یک مقدار معین ( 100 گرم ) مواد غذایی در بدن

 
یکاهای SI

یکا های اصلی (پایه ) :

یکا                        نماد یکا                      کمیت

1) کیلوگرم                  Kg                            جرم

2) متر                       m                            طول

3) ثانیه                     s                             زمان

4) کلوین                   K                             دما

5) مول                    mol                         مقدار ماده

6) آمپر                      A                          شدت جریان

7) شمع                    cd                          شدت نور

یکا های فرعی :

1)  ژول                       J                           انرژی

2) پاسکال                   Pa                          فشار

3) نیوتن                  N                          وزن

 
ظرفیت گرمایی

تعریف ظرفیت گرمایی : گرمای لازم برای افزایش دمای ماده به اندازه ی یک درجه ی سانتی گراد .

یکای ظرفیت گرمایی :          J/ ॰c

 ---------------------------------------------------------------------------

تعریف ظرفیت گرمایی ویژه : گرمای لازم برای افزایش دمای یک کیلوگرم ( یا یک گرم ) ماده به اندازه ی یک درجه ی سانتی گراد

یکای ظرفیت گرمایی ویژه :   <st