آشنایی با مفاهیم پایه علم ترمودینامیک

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک

در این پست قصد داریم با مفاهیم پایه ای علم ترمودینامیک که بسیار پرکاربرد هستند آشنا شویم:

·         انرژی حرارتی (Thermal energy)

انرژی حرارتی، نوعی از انرژی است که یک سیستم با توجه درجه حرارتش دارد. این انرژی می تواند از یک سیستم به یک سیستم دیگر به صورت گرما منتقل شود. به عبارت دیگر، وقتی انرژی حرارتی بخواهد منتقل شود، در قالب گرما منتقل می شود.

در این شکل مشاهده می کنیم که تحرک ذرات مایع، منجر به افزایش انرژی حرارتی می شود. این انرژی در قالب گرما و با مکانیزم های مختلف، انتقال می یابد.

در هر قانون ترمودینامیک، ممکن است با مفهوم انرژی حرارتی برخورد کنید. منشأ این انرژی، تحرک و لرزش مولکول ها و ذرات ماده و برهمکنش آن ها باهم است. در واقع، انرژی حرارتی سیستم، به نوعی مجموع این برهمکنش ها است و به مقیاس اتمی نگاه نمی کند.

·         تعادل ترمودینامیکی (Thermodynamic equilibrium)

تعادل ترمودینامیکی، شاید یکی از مهم ترین مفاهیمی باشد که در درک هر قانون ترمودینامیک، کارآمد است. تعادل ترمودینامیکی، مفهومی بدیهی (axiomatic concept) است که می تواند صرفا برای درون یک سیستم مجزای ترمودینامیکی تعریف شود یا این که با در نظر گرفتن چند سیستم مرتبط مورد بررسی قرار گیرد.

به طور کلی، تعادل ترمودینامیکی عبارتست از شرایطی که هیچ جریان ماکروسکوپیکی از ماده و انرژی، چه در درون سیستم و چه میان سیستم ها وجود نداشته باشد. سیستم هایی که در تعادل ترمودینامیکی متقابل هستند، در تعادل حرارتی، مکانیکی، شیمیایی و تابشی هستند. اگر چه سیستم ها ممکن است بسته به شرایط، فقط یکی از این تعادل ها را تجربه کنند. یک سیستم در این حالت، در تمام نقاط خود دمای یکسانی دارد.

شرایط تعادل ترمودینامیکی عبارتند از:

1. برای سیستم ایزوله،آنتروپی حداکثر میباشد.
2. برای سیستمی با حجم و دمای ثابت، انرژی آزاد هلمهولتز حداکثر است.
3. برای سیستمی با حجم و فشار ثابت، انرژی آزاد گیبس حداقل است.

• گرما (Heat)

گرما نوعی از انرژی است که بین دو سیستم، به علت اختلاف دمای موجود، مبادله می شود. بنابراین این کمیت، تابع مسیر است.

گرما خود به خود به وجود نمی آید و هیچوقت از بین نمی رود. گرما یا باید از جایی به جای دیگر منتقل شود و یا به حالت دیگری از انرژی تبدیل شود. برای مثال، یک توربین بخار گرما را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. انرژی جنبشی ژنراتوری را به حرکت در می آورد و ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می کند.

یک لامپ، این انرژی را به تابش الکترومغناطیسی (نور) تبدیل می کند. حال وقتی این نور، توسط یک سطح جذب شود، دوباره به گرما تبدیل می شود. خواهیم دید که تبادل گرما در قوانین ترمودینامیک از اهمیت ویژه ای برخوردار است. معمولا این پارامتر را با حرف Q نشان می دهند.

•  انرژی درونی (Internal Energy)

به انرژی که متعلق به خود مولکول ها و ذرات سیستم است و فقط در مقیاس اتمی و مولکولی می تواند در نظر گرفته شود، انرژی درونی می گویند.

بنابراین، انرژی درونی به انرژی پتانسیل و جنبشی ذرات در مقیاس میکروسکوپیک نگاه می کند. در حالی که انرژی حرارتی به سیستم نگرش ماکروسکوپیک دارد. تغییرات انرژی درونی سیستم را با ΔU نشان می دهند.

• دما (Tempetature)

دما مقیاسی از میانگین انرژی جنبشی ذرات یک سیستم است که بر حسب درجه هایی استاندارد واحد بندی می شود. بنابراین تابع حالت است و وابستگی به سابقه قبلی سیستم ندارد. مهم ترین واحد دما، سلسیوس (Celsius) است که بر اساس دمای انجماد و جوش آب (از صفر تا ۱۰۰ درجۀ سلسیوس) مقیاس بندی شده است. فراموش نکنید که استفاده از واژۀ سانتیگراد برای گزارش دما، اشتباه است!

واحد فارنهایت (Fahrenheit) دیگر واحد مهم گزارش دماست. این واحد نیز بر اساس نقطه جوش و انجماد آب، از ۳۲ تا ۲۱۲ فارنهایت درجه بندی شده است.

واحد دیگری که توسط دانشمندان در سرتاسر جهان استفاده می شود، کلوین (Kelvin) است. درجه بندی کلوین، دقیقا بهره ای برابر با درجه های سلسیوس دارد. یعنی یک درجۀ سلسیوس، برابر یک درجۀ کلوین است.

• صفر مطلق (Absolute Zero)

درجه کلوین از صفر مطلق آغاز می شود. در این دما تمام حرکات مولکولی می ایستند و ذرات هیچ تحرکی ندارند. بنابراین سیستم هیچ گرمایی هم ندارد. دمای صفر کلوین برابر است با ۴۵۹٫۶۷ فارنهایت، یا ۲۷۳٫۱۵ درجه سلسیوس. در ادامه خواهیم دید که صفر مطلق نیز در قوانین ترمودینامیک کاربرد ویژه ای دارد.

• قانون سرمایش نیوتن (Newton’s Law of Cooling)

آیزاک نیوتن، در سال ۱۷۰۱ در مقاله ای کوتاه با نام Scala graduum Caloris یکی از مهم ترین قانون های فیزیک را بیان کرد. این قانون در عین سادگی، اساس بسیاری از تحقیقات بعدی در این زمینه شد.

این قانون بیان می کند:

«نرخ تغییرات دمای یک سیستم، متناسب است با اختلاف دمای میان سیستم و محیط اطرافش. این موضوع، منجر به کاهش نمایی (exponential decay) در اختلاف دما خواهد شد.»

برای مثال اگر یک جسم گرم را در یک حمام آب سرد قرار دهیم، در مدت زمانی مشخص، اختلاف دمایی میان جسم و محیط اطرافش به نصف کاهش می یابد. با گذشت همین مدت زمان، اختلاف دمایی باقی مانده نیز نصف می شود. این روند ادامه می یابد تا این که هیچ اختلاف دمایی میان جسم و محیط باقی نماند.

• گرمای ویژه (Specific heat)

مقدار گرمایی که برای افزایش دمای مشخصی از جرم مشخصی از یک ماده لازم است را گرمای ویژه یا ظرفیت گرمایی یا ظرفیت گرمایی ویژه می گویند. مهم ترین واحدی که برای گزارش گرمای ویژه به کار می رود، cal/g.K است. عبارت cal نشان دهندۀ کالری است.

• هدایت حرارتی (Thermal conductivity)

نرخ گذردهی گرما از یک ماده مشخص را هدایت حرارتی (k) می نامند. به عبارتی، مقدار گرمایی که در واحد زمان، از واحد یک سطح با گرادیان دمایی می گذرد، هدایت حرارتی است. واحد این کمیت، W/m.K است.

• کار (Work)

کار انجام ‌شده توسط یک سیستم ترمودینامیکی، انرژی منتقل ‌شده توسط سیستم به محیط اطراف خود است. این انتقال انرژی به وسیلۀ مکانیزمی انجام می شود که از طریق آن سیستم می‌ تواند به طور خود به خود نیروهای ماکروسکوپیک را در محیط خود اعمال کند. به طوری که نیروها و تاثیرات خارجی آن ‌ها را بتوان اندازه ‌گیری کرد. کار (W) تابع مسیر است و به سابقه سیستم بستگی دارد.

• آنتالپی (Enthalpy)

آنتالپی یک سیستم ترمودینامیکی، محصول انرژی درونی آن و شرایط فشار و حجم سیستم است. از دیدگاه تغییرات، گرمایی که در یک تحول یا واکنش در فشار ثابت مبادله می شود را تغییرات آنتالپی می نامند.

• آنتروپی (Entropy)

تمام سیستم های ترمودینامیکی، گرمای اضافی تولید می کنند. این گرمای اضافی، سبب افزایش آنتروپی می شود. آنتروپی برای یک سیستم بسته، عبارت است از مقدار انرژی حرارتی که برای ایجاد کار در دسترس نیست.

در پست های بعدی به بررسی قوانین ترمودینامیک خواهیم پرداخت. برای مطالعه قانون اول ترمودینامیک اینجا کلیک کنید.