مروری بر ترمودینامیک

0

ترمودینامیک رشته فیزیک است که به رابطه بین گرما و سایر خواص (مانند فشار ، تراکم ، دما و …) در یک ماده می پردازد.

به طور خاص ، ترمودینامیک تا حد زیادی به چگونگی ارتباط انتقال گرما با تغییرات مختلف انرژی در یک سیستم فیزیکی که تحت یک فرآیند ترمودینامیک قرار دارد ، متمرکز است. چنین فرایندهایی معمولا در نتیجه کار  که توسط سیستم انجام می شود و توسط هدایت قوانین ترمودینامیک .

مفاهیم اساسی انتقال حرارت

به طور گسترده ، گرمای یک ماده به عنوان بازنمایی از انرژی موجود در ذرات آن ماده درک می شود. این به عنوان تئوری جنبشی گازها شناخته می شود ، گرچه این مفهوم در درجات مختلفی نیز برای مواد جامد و مایعات کاربرد دارد. گرمای حاصل از حرکت این ذرات می تواند از طریق انواع مختلف به ذرات مجاور و بنابراین به سایر قسمتها یا مواد دیگر منتقل شود:

  • تماس حرارتی زمانی است که دو ماده می توانند درجه حرارت یکدیگر را تحت تأثیر قرار دهند.
  • تعادل حرارتی وقتی است که دو ماده در تماس با حرارت دیگر گرما را منتقل نمی کنند.
  • گسترش گرما هنگامی اتفاق می افتد که یک ماده با افزایش حرارت ، حجم آن افزایش می یابد. انقباض حرارتی نیز وجود دارد.
  • هدایت زمانی است که گرما از طریق جامد گرم شده جریان می یابد.
  • همرفت هنگامی است که ذرات گرم شده گرما را به ماده دیگری مانند پختن چیزی در آب جوش منتقل می کنند.
  • تابش هنگامی است که گرما از طریق امواج الکترومغناطیسی مانند خورشید منتقل می شود.
  • عایق کاری زمانی است که از ماده کم رسان برای جلوگیری از انتقال حرارت استفاده می شود.

فرآیندهای ترمودینامیکی

یک سیستم تحت یک فرایند ترمودینامیکی زمانی که نوعی تغییر انرژی در سیستم، به طور کلی با تغییر در فشار، حجم، انرژی داخلی (درجه حرارت یعنی) همراه است، و یا هر نوع انتقال حرارت وجود دارد.

چندین نوع خاص از فرآیندهای ترمودینامیکی وجود دارد که خاصیت خاصی دارند:

  • 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.

ایالت های مهم

حالت ماده ، توصیفی از نوع ساختار بدنی است که یک ماده مادی در آن تجلی می یابد ، با خواصی که چگونگی نگه داشتن مواد (یا نداشتن) آن را توصیف می کند. پنج ماده از ماده وجود دارد ، اگرچه فقط سه مورد اول از آنها به طریقی كه در مورد حالتهای ماده می اندیشیم شامل می شود:

  • گاز
  • مایع
  • جامد
  • پلاسما
  • superfluid (مانند میعانات بوز-انیشتین )

بسیاری از مواد می توانند از گاز ، مایع و فازهای جامد ماده عبور کنند ، در حالی که فقط معدود مواد کمیاب شناخته شده است که قادر به ورود به یک حالت فوق روان هستند. پلاسما حالت مشخص ماده مانند رعد و برق است

  • تراکم – گاز به مایع
  • انجماد – مایع تا جامد
  • ذوب – جامد تا مایع
  • تصعید – جامد به گاز
  • تبخیر – مایع یا جامد با گاز

ظرفیت گرمایی

ظرفیت گرما ، C ، یک جسم ، نسبت تغییر گرما (تغییر انرژی ، Δ Q است ، جایی که نماد یونانی دلتا ، Δ ، تغییر کمیت را نشان می دهد) برای تغییر درجه حرارت (Δ T ).

C = Δ Q / Δ T

ظرفیت حرارتی یک ماده بیانگر سهولت گرم شدن یک ماده است. یک هادی حرارتی خوب می تواند از ظرفیت گرمای کم برخوردار باشد و این نشان می دهد که مقدار کمی انرژی باعث تغییر زیاد دما می شود. یک عایق حرارتی خوب از ظرفیت گرمای زیادی برخوردار است و این نشان می دهد که انتقال انرژی زیادی برای تغییر دما لازم است.

معادلات گاز ایده آل

معادلات گازی ایده آل گوناگونی وجود دارد که مربوط به دما ( 1 ) ، فشار ( 1 ) و حجم ( 1 ) است. این مقادیر بعد از یک تغییر ترمودینامیکی توسط (نشان داد 2 )، ( 2 ) و ( 2 ). برای مقدار معینی از ماده ، n (اندازه گیری شده در خال) ، روابط زیر را نگه می دارد:

قانون بویل ( T ثابت):
1 = 2
قانون Charles / Gay-Lussac ( P ثابت):
1 / 1 = 2 / 2
قانون گاز ایده آل :
1 / 1 = 2 / 2 = nR

R است ثابت گاز ایده آل ، R = 8.3145 J / mol است * K. بنابراین ، برای مقدار مشخصی از ماده ، nR ثابت است که قانون گاز ایده آل را ارائه می دهد.

قوانین ترمودینامیک

  • صفر قانون ترمودینامیک – دو سیستم در تعادل حرارتی با یک سیستم سوم با یکدیگر در تعادل حرارتی قرار دارند.
  • قانون اول ترمودینامیک – تغییر در انرژی یک سیستم مقدار انرژی اضافه شده به سیستم منهای انرژی صرف شده برای انجام کار است.
  • قانون دوم ترمودینامیک – برای یک فرآیند غیرممکن است که انتقال حرارت از بدن خنک کننده به گرمتر انجام شود.
  • قانون سوم ترمودینامیک – کاهش یک سیستم به صفر مطلق در یک سری محدود از کارها غیرممکن است. این بدان معنی است که نمی توان یک موتور گرما کاملاً کارآمد ایجاد کرد.

قانون دوم و آنتروپی

قانون دوم ترمودینامیک را می توان برای صحبت در مورد آنتروپی ، که یک اندازه گیری کمی از اختلال در یک سیستم است ، دوباره تنظیم کرد. تغییر حرارت تقسیم بر دمای مطلق ، تغییر آنتروپی فرایند است. قانون دوم را با این روش تعریف کرد:

در هر سیستم بسته ، آنتروپی سیستم یا ثابت می ماند یا افزایش می یابد.

با ” سیستم بسته ” به این معنی است که در محاسبه آنتروپی سیستم ، هر بخشی از فرآیند گنجانده شده است.

اطلاعات بیشتر درباره ترمودینامیک

از بعضی جهات ، درمان ترمودینامیک به عنوان یک رشته متمایز از فیزیک گمراه کننده است. ترمودینامیک تقریباً در هر زمینه از فیزیک ، از اخترفیزیک گرفته تا بیوفیزیک صحبت می کند ، زیرا همه آنها به نوعی با تغییر انرژی در یک سیستم سروکار دارند. بدون توانایی سیستم برای استفاده از انرژی در درون سیستم برای انجام کار – قلب ترمودینامیک – چیزی برای فیزیکدانان وجود نخواهد داشت.

گفته شده است ، بعضی از زمینه ها از ترمودینامیک استفاده می کنند و در ضمن پدیده های دیگر را مورد مطالعه قرار می دهند ، در حالی که طیف گسترده ای از زمینه ها وجود دارد که به شدت روی موقعیت های ترمودینامیکی درگیر هستند. در زیر برخی از زیر زمینه های ترمودینامیک آورده شده است:

  • Cryophysics / Cryogenics / Physics با درجه حرارت پایین – بررسی خصوصیات بدنی در شرایط دمای پایین ، بسیار پایین تر از درجه حرارت که حتی در سردترین مناطق زمین تجربه می شود. نمونه ای از این مطالعه بررسی ابرنواخت ها است.
  • سیال دینامیک / مکانیک سیالات – مطالعه خواص فیزیکی “مایعات” ، که به طور خاص در این مورد به عنوان مایعات و گازها تعریف شده است.
  • فیزیک فشار قوی – مطالعه فیزیک در سیستم های فشار بسیار بالا ، عموماً با دینامیک سیالات مرتبط است.
  • هواشناسی / فیزیک هوا – فیزیک هوا ، سیستم های فشار در جو و غیره.
  • فیزیک پلاسما – مطالعه ماده در حالت پلاسما.

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.