ترمودینامیک

فرآیند ترمودینامیکی چیست

فرآیند ترمودینامیکی چیست

هنگامی که نوعی تغییر انرژی در سیستم وجود داشته باشد ، معمولاً با تغییراتی در فشار ، حجم ، انرژی داخلی ، دما یا هر نوع انتقال حرارت همراه است .

انواع عمده فرآیند ترمودینامیکی

چندین نوع خاص از فرآیند ترمودینامیکی وجود دارد که به طور مکرر اتفاق می افتد (و در شرایط عملی) که معمولاً در مطالعه ترمودینامیک درمان می شوند.

هر کدام یک ویژگی منحصر به فرد دارند که آن را مشخص می کند و در تجزیه و تحلیل انرژی و تغییرات کار مربوط به فرآیند مفید است.

  • فرآیند Adiabatic – فرآیندی بدون انتقال حرارت به داخل یا خارج از سیستم.
  • فرآیند ایزوژوریک – فرآیندی بدون تغییر در حجم ، در این حالت سیستم کاری انجام نمی دهد.
  • فرآیند ایزوباریک – فرآیندی بدون تغییر در فشار.
  • فرآیند ایزوترمال – فرآیندی بدون تغییر دما.

می توان چندین فرآیند ترمودینامیکی را در یک فرآیند واحد انجام داد. بدیهی ترین نمونه موردی است که در آن تغییر حجم و فشار و در نتیجه تغییر دما یا انتقال حرارت ایجاد نمی شود – چنین فرایندی هم ادیاباتیک و هم دما خواهد بود.

اولین قانون ترمودینامیک

از نظر ریاضی ، اولین قوانین ترمودینامیک را می توان به شرح زیر نوشت:

delta- U = Q – W یا Q = delta- U + W
در کجا

  • delta- U = تغییر سیستم در انرژی داخلی
  • Q = گرما به داخل یا خارج از سیستم منتقل می شود.
  • W = کار انجام شده توسط یا بر روی سیستم.

هنگام تجزیه و تحلیل یکی از فرآیندهای ویژه ترمودینامیکی که در بالا توضیح داده شد ، ما اغلب (اگرچه نه همیشه) نتیجه بسیار خوشبختی می یابیم – یکی از این مقادیر به صفر کاهش می یابد !

برای مثال، در یک فرایند بی دررو است انتقال حرارت، بنابراین وجود Q = 0، و در نتیجه یک رابطه بسیار ساده بین انرژی داخلی و کار: دلتا Q = – W .

برای جزئیات بیشتر در مورد خواص بی نظیر آنها ، تعاریف فردی از این فرایندها را مشاهده کنید.

فرآیند ترمودینامیکی برگشت پذیر

بیشتر فرآیند ترمودینامیکی (What Is a Thermodynamic )به طور طبیعی از یک جهت به جهت دیگر پیش می روند. به عبارت دیگر ، آنها جهت ترجیحی دارند.

گرما از یک جسم داغ به سردتر جریان می یابد. گازها برای پر کردن یک اتاق گسترش می یابند ، اما برای پر کردن فضای کوچکتر خودبخود منعقد نمی شوند. انرژی مکانیکی می تواند کاملاً به گرما تبدیل شود ، اما تبدیل گرما به طور کامل به انرژی مکانیکی غیرممکن است.

با این حال ، برخی از سیستم ها یک فرایند برگشت پذیر را پشت سر می گذارند. به طور کلی ، این اتفاق می افتد وقتی که سیستم همیشه به تعادل حرارتی نزدیک باشد ، چه در داخل سیستم خود و چه با هر محیطی. در این حالت ، تغییرات نامتناهی در شرایط سیستم می تواند باعث شود روند فرایند دیگر پیش برود. به همین ترتیب ، یک فرآیند برگشت پذیر نیز به عنوان یک فرآیند تعادل شناخته می شود .

مثال 1: دو فلز (A&B) در تماس با حرارت و تعادل حرارتی قرار دارند . فلز A مقدار نامحدودی را گرم می کند ، به طوری که گرما از آن به فلز B. جریان می یابد. این روند با خنک کردن یک مقدار نامتناهی قابل بازگشت است که در آن نقطه گرما از B به A شروع می شود تا زمانی که آنها دوباره در تعادل حرارتی قرار بگیرند. .

مثال 2: یک گاز در یک فرآیند برگشت پذیر به آرامی و adiabatically گسترش می یابد. با افزایش فشار توسط یک مقدار نامتناهی ، همان گاز می تواند به آرامی و adiabatically به حالت اولیه فشرده شود.

لازم به ذکر است که اینها نمونه هایی تا حدودی ایده آل هستند. برای اهداف عملی ، سیستمی که در تعادل حرارتی قرار دارد ، به محض معرفی یکی از این تغییرات ، در تعادل حرارتی متوقف می شود … بنابراین فرآیند در واقع کاملاً برگشت پذیر نیست. این یک مدل ایده آل از چگونگی وقوع چنین وضعیتی است ، اگرچه با کنترل دقیق شرایط آزمایشگاهی می توان فرآیندی را انجام داد که بسیار نزدیک به کاملاً برگشت پذیر است.

فرآیند برگشت ناپذیر و قانون دوم ترمودینامیک

البته بیشتر فرایندها فرآیندهای برگشت ناپذیر (یا فرآیندهای عدم تعادل ) هستند.

با استفاده از اصطکاک ترمزهای خود ، کار روی ماشین شما یک فرایند برگشت ناپذیر است. اجازه خروج هوا از یک بادکنک به داخل اتاق فرایندی غیرقابل برگشت است. قرار دادن بلوک یخ روی پیاده رو سیمان داغ یک روند غیرقابل برگشت است.

به طور کلی ، این فرایندهای برگشت ناپذیر نتیجه ای از قانون دوم ترمودینامیک است که غالباً از نظر آنتروپی یا بی نظمی یک سیستم تعریف می شود.

روش های مختلفی برای تعریف قانون دوم ترمودینامیک وجود دارد ، اما اساساً این محدودیت را در مورد چگونگی کارآمد بودن انتقال حرارت ایجاد می کند. طبق قانون دوم ترمودینامیک ، مقداری گرما همیشه در این فرآیند از بین می رود ، به همین دلیل امکان وجود یک فرآیند کاملاً برگشت پذیر در دنیای واقعی امکان پذیر نیست.

موتورهای حرارتی ، پمپ های حرارتی و سایر دستگاه ها

ما هر دستگاهی را که گرما را تا حدی به کار یا انرژی مکانیکی تبدیل می کند موتور حرارتی می نامیم . یک موتور گرما این کار را با انتقال گرما از یک مکان به مکان دیگر انجام می دهد و برخی کارها را در طول مسیر انجام می دهد.

با استفاده از ترمودینامیک ، می توان راندمان حرارتی یک موتور گرما را تجزیه و تحلیل کرد و آن موضوعی است که در بیشتر دوره های مقدماتی فیزیک مقدماتی وجود دارد. در اینجا برخی از موتورهای گرما که اغلب در دوره های فیزیک مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند آورده شده است:

  • موتور احتراق داخلی – موتور سوختی مانند موتورهای مورد استفاده در اتومبیل. “چرخه اتو” روند ترمودینامیکی یک موتور بنزینی معمولی را تعریف می کند. “چرخه دیزل” به موتورهای دیزلی اشاره دارد.
  • یخچال و فریزر – موتور حرارتی در حالت معکوس ، یخچال و فریزر گرما را از محل سرد (داخل یخچال) می گیرد و آن را به یک مکان گرم (خارج از یخچال) منتقل می کند.
  • پمپ حرارتی – پمپ حرارتی نوعی از موتورهای گرما ، مشابه یخچال است که برای گرم کردن ساختمانها با خنک کردن هوای بیرون استفاده می شود.

چرخه کاروت

در سال 1924 ، مهندس فرانسوی سادی کاروت یک موتور فرضی ایده آل را ایجاد کرد که حداکثر کارایی ممکن را مطابق با قانون دوم ترمودینامیک داشت. او در معادله زیر برای بهره وری خود وارد شدند، الکترونیکی کارنو :

Carnot = ( H – C ) / H

H و C به ترتیب دمای مخازن گرم و سرد است. با اختلاف دمای بسیار زیاد ، راندمان بالایی را کسب می کنید. اگر اختلاف دما کم باشد ، راندمان پایین می آید. اگر C = 0 (یعنی مقدار مطلق ) غیرممکن باشد ، می توانید از بازده 1 (100٪ راندمان) استفاده کنید .

 

 

1 دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا