تحقیق مقاله ترمودینامیک و انتقال حرارت

ترمودینامیک

گرما - دما و دماسنج

فشار

انبساط اجسام

گاز کامل

گرما سنجی و واحدهای آن

گرمای لازم برای تبدیل یخ به آب

تعادل آب و یخ

تعادل آب با بخار آب

فرآیندهای ترمودینامیکی

انرژی درونی

قوانین ترمودینامیک

ماشین های گرمایی

یخچال

ترمودینامیک

تاریخچه

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

هنگامی که دو جسم با دماهای متفاوت در تماس با یکدیگر قرار گیرند انرژی از جسم گرمتر به جسم سرد تر میرود به انرژی که در این شرایط منتقل می شود انرژی گرمایی می گویند

الف - گرما و حرکت مولکولی

میدانید که ماده از مولکولها تشکیل شده است این مولکولها ساکن نیستند بلکه دائما در حال حرکت هستند  نوع حرکت آنها بستگی به حالت ماده دارد یکی از اثرهای گرما بر ماده این است که حرکت آنها را سرعتر می کند و فاصله مولکول ها را افزایش می دهد در نتیجه موجب افزایش طول سطح و حجم جامدات و حجم مایعات و گازها می شود

ب- گرما وانرژی درونی

مولکولهای اجسام چون در حرکتند دارای انرژی جنبشی میباشند و چون بین آنها نیروهای پیوستگی  وجود دارد به سبب وضع و حالت خود دارای انرژی پتانسیل نیز هستند هنگامیکه ماده ای را  گرم می کنیم انرژیهای جنبشی و پتانسیل مولکولها هردو افزایش می یابد مجموع انرژیهای  جنبشی وپتانسیل تمام ملکولهای یک ماده را انرژی درونی یا گرمایی  آن ماده مینامند

دما

دما کمیتی است نسبی و مقایسه ای و حالت جسم را نشان می دهد به عبارت دیگر درجه

گرمی جسم را نشان می دهد نه انرژی گرمایی آن را

دماسنجها

دماسنج وسیله اندازه گیری دمای اجسام است که بر اساس انبساط اجسام کار می کنند

مدرج کردن دماسنجها

برای مدرج کردن دماسنجها از دو نقطه ثابت در طبیعت استفاده می شود یکی نقطه پایینی که معمولا نقطه ذوب یخ یا نقطه انجماد آب خالص در فشار یک اتمسفر بوده و دومی نقطه بالایی که نقطه جوش آب خالص در فشار یک اتمسفر می باشد

الف - سلسیوس یا سانتیگراد

در این دماسنج نقطه ذوب یخ صفر درجه و نقطه جوش آب صد انتخاب شده است و فاصله  بین صفر وصد به صد قسمت مساوی تقسیم شده است

ب - فارنهایت

نقطه ذوب یخ 32 و نقطه جوش آب 212 انتخاب شده است و فاصله بین به 180 قسمت مساوی تقسیم شده است

ج - کلوین یا مطلق

نقطه ذوب یخ 273 و نقطه جوش آب 373 و فاصله بین به 100 قسمت مساوی تقسیم شده است

د - رئومر

نقطه ذوب یخ صفر و نقطه جوش آب 80 درجه و فاصله بین به 80 قسمت مساوی تقسیم شده است

رابطه دماها در دماسنجهای مختلف

اگر دماسنج سلسیوس دمای جسمی راC ، فارنهایت همان دما را F ، کلوین آن را T   و  رئومر R  نشان دهد رابطه بین آنها به صورت زیر است

فشار

فشار بزرگی نیرویی است که به طور مودی بر واحد سطح اثر می کند

صفر مطلق

پایین ترین دمای ممکن  است که صفر مطلق می نامند در این دما حرکت مولکولها کاملا متوقف است و انرژی درونی ماده به کمترین مقدار ممکن می رسد رابطه بین دما کلوین و سلسیوس با توجه به فرمولهای قبل به صورت زیر است

انبساط جامدات

گرما موجب افزایش فاصله مولکولها یا انبساط اجسام می شود که در جامدات افزایش دماموجب انبساط طولی - سطحی و حجمی می شود و در سیالات باعث افزایش حجم می شود

انبساط طولی جامدات

اگر طول جسمی در دمای   برابر   در دمای   برابر   باشد رابطه بین آنها به صورت زیر می باشد

تعریف ضریب انبساط طولی

اندازه انبساط  واحد طول جامد را وقتی دمای آن یک درجه افزایش می یابد ضریب انبساط طولی می نامند که با واحد  بیان می شود

با توجه به فرمول فوق میزان افزایش طول از رابطه   و افزایش طول نسبی

از رابطه    به دست می آید

انبساط سطحی جامدات

سطح جامدات نیز بر اثر تغییردما تغییر می کند روابط محاسبه مانند انبساط طولی

می باشد

=مساحت جدید

=مساحت اولیه

تغییر دما

=تغییرات مساحت

= ضریب انبساط سطحی

ضریب انبساط سطحی

افزایش واحد سطح جسم وقتیکه دمای یک جسم یک درجه افزایش می یابد . برای هر جسم رابطه تقریبی برقرار است

انبساط حجمی جامدات

حجم جامدات نیز بر اثر تغییر دما تغییر می کند

=حجم جدید

=حجم اولیه

=ضریب انبساط حجمی جامد

=تغییرات حجم

انبسا ط مایعات

مایعات نیز بر اثر افزایش دما منبسط می شود

مشخصه های گازها

برای یک گاز فشار P وحجم V  و دما T و مقدار یا تعداد ملکول گرم ها را مشخصه های ترمودینامیکی گاز می نامند

تحول یک گاز

تحول یک گاز یعنی تغییر مشخصه های گاز

الف -  تحول مقدار معینی از گاز در دمای ثابت - فرآیند هم دما

حاصلضرب فشار در حجم معینی از یک گاز در دمای ثابت مقداریست 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 افزایش حجم باشد گاز کار مثبت انجام می دهد و اگر در جهت کاهش حجم باشد گاز کار منفی انجام می دهد

تحول مقدار معینی از گاز در فشار ثابت- فرآیند هم فشار

در فشار ثابت حجم مقدار معینی از گاز با دمای مطلق گاز نسبت مستقیم دارد

مقدار ثابت

ضریب انبساط حجمی در فشار ثابت

در فشار ثابت اگر دمای گاز ضفر درجه ای را 1 درجه افزایش دهیم به حجم گاز به اندازه

حجم اولیه افزوده می شود که  را ضریب انبساط حجمی در فشار ثابت

مینامند که برای کلیه گازهای کامل مقداریست ثابت

نمودار تغییرات حجم بر حسب دما در فشار ثابت

اگر حجم گاز در صفر درجه سلسیوس  و در  درجه   بنامیم می توان نوشت

که مانند تابع  خط راستی است با ضریب زاویه 

تحول در مقدار معین از گاز در حجم ثابت - فرآیند هم حجم

در حجم ثابت فشار گاز با دمای مطلق گاز نسبت مستقیم دارد

مقدار ثابت

فرمول کلی گازها

برای یک گاز کامل رابطه زیر برقرار است

=فشار بر حسب پاسکال