ترمودینامیک

ترمودینامیک

ترمودینامیک (به انگلیسی: Thermodynamics)‏ شاخه ای از علوم طبیعی است که به بحث راجع به گرما و نسبت آن با انرژی و کار می پردازد. ترمودینامیک متغیرهای ماکروسکوپیک ( همانند دما، انرژی داخلی، آنتروپی و فشار ) را برای توصیف حالت مواد تعریف و چگونگی ارتباط آن ها و قوانین حاکم بر آن ها را بیان می نماید.

ترمودینامیک رفتار میانگینی از تعداد زیادی از ذرات میکروسکوپیک را بیان می کند. فوانین حاکم بر ترمودینامیک را از طریق مکانیک آماری نیز می توان بدست آورد. ترمودینامیک موضوع بخش گسترده ای از علم و مهندسی است - همانند : موتور، گذار فاز، واکنش های شیمیایی، پدیده های انتقال و حتی سیاه چاله ها- .

محاسبات ترمودینامیکی برای زمینه های فیزیک، شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک، زیست شناسی یاخته، مهندسی پزشکی،دانش مواد و حتی اقتصاد لازم است.

عمده مباحث تجربی ترمودینامیک در چهار قانون بنیادی آن بیان گردیده اند:

قانون صفرم، اول، دوم و سوم ترمودینامیک.

قانون اول وجود خاصیتی از سیستم ترمودینامیکی به نام انرژی داخلی را بیان می کند. این انرژی از انرژی جنبشی که ناشی از حرکت کلی سیستم و انرژی پتانسیل که سیستم نسبت به محیط پیرامونش دارد، متمایز است. قانون اول همچنین دو شیوه انتقال انرژی یک سیستم بسته را بیان میکند : انجام کار یا انتقال حرارت.

قانون دوم به دو خاصیت سیستم، دما و آنتروپی، مربوط است. آنتروپی محدودیت ها - ناشی از برگشت ناپذیری سیستم - بر میزان کار ترمودینامیکی قابل تحویل به یک سیستم بیرونی طی یک فرایند ترمودینامیکی را بیان می کند. دما، خاصیتی که با قانون صفرم ترمودینامیک تا حدودی تبیین می گردد، نشان دهنده ی جهت انتقال انرژی حرارتی بین دو سیستم در نزدیکی یکدیگر است. این خاصیت همچنین به صورت کیفی با واژه های داغ یا سرد بیان می گردد.

از دیدگاه تاریخی ترمودینامیک با آرزوی افزایش بازده موتورهای بخار گسترش یافت. به ویژه به سبب تلاش های فیزیکدان فرانسوی، نیکولا لئونارد سعدی کارنو که اعتقاد داشت افزایش بازده موتورهای بخار می تواند رمز پیروزی فرانسه در نبردها ناپلئون باشد. فیزیکدان انگلیسی، لرد کلوین، نخستین کسی بود که در سال ۱۸۵۴ تعریفی کوتاه برای ترمودینامیک ارائه داد :

« ترمودینامیک عنوان مبحثی است که روابط حاکم بر ارتباط حرارت با نیروهای وارد بر یک پیکر پیوسته و همچنین رابطه بین حرارت با الکتریسیته را بیان می کند. »

در ابتدا ترمودینامیک ماشین های بخار به صورت عمده راجع به خصوصیات گرمایی مواد مورد کاربرد- بخار آب - بود. بعدها این مبحث به فرایندهای انتقال انرژی در واکنش های شیمیایی مرتبط گردید. ترمودینامیک شیمیایی اثر آنتروپی بر فرآیندهای شیمیایی را مورد بحث قرار می دهد. همچنین ترمودینامیک آماری ( یا مکانیک آماری ) با پیش بینی های آماری از رفتار ذرات سیستم، ترمودینامیک ماکروسکوپیک را توجیه می نماید.

ریشه شناسی واژه

ترمودینامیک (ریشهٔ یونانی دارد و از دو بخش θερμη به معنی گرما و δυναμις به معنی نیرو تشکیل شده که از سرهم بندیشان می‌شود نیروی گرما) شاخه‌ای از فیزیک و شیمی است که پدیده‌های ماکروسکوپیکی که از تغییر دما، فشار و حجم در یک سیستم فیزیکی اتفاق می‌افتد بررسی می‌کند.

تاریخچه

شروع ترمودینامیک از ساخت اولین پمپ خلأ در سال ۱۶۵۰ میلادی و توسط اتو وان گریکه (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 اولین پمپ هوا را در سال ۱۶۵۶ بسازد. و بین حجم و فشار رابطه‌ای تعریف کردند، که امروزه به قانون بویل مشهور است. سپس در سال ۱۶۷۹ شریک بویل دنیس پاپین اولین steam 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.

نیروهای ترمودینامیکی

پنج پتانسیل مهم در ترمودینامیک عبارتند از:

انرژی درونی

انرژی آزاد هلهمولت

آنتالپی

انرژی آزاد گیبس

پتانسیل بزرگ

توسط چهار پتانسیل فوق روابط ماکسول تعریف می شوند.

قوانین ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک
قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر همدما می باشند. به طور مثال اگر جسم a باجسم b درتعال گرمایی باشد وجسم b باجسم c درتعادل گرمایی باشد می توان گفت جسم a و c در تعادل گرمایی می باشد. اساس ساخت دمانسج قانون صفرم ترمودینامیک می باشد به این صورت که هوای محیط باشیشه ی دماسنج در ارتباط است وشیشه دماسنج نیز با جیوه درارتباط است در نتیجه طبق قانون صفرم ترمودینامیک هوا با جیوه نیز در ارتباط می باشد.

قانون اول ترمودنامیک

انرژی درونی یک سیستم منزوی ثابت و پایدار است. قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید: تغییر انرژی درونی یک سیستم برابر است با مجموع گرمای داده شده به سیستم و کار انجام شده بر آن:

قانون دوم ترمودینامیک

ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال مداوم گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، غیر ممکن است.
بیان کلوین-پلانک: غیرممکن است وسیله‌ای بسازیم که در یک سیکل عمل کند و در عین حال فقط با یک مخزن تبادل حرارت داشته باشد یعنی غیر ممکن است یک موتور حرارتی بدون از دست دادن گرمادر Qc به کار خود ادامه دهد.
بیان کلازیوس: امکان ندارد که یک یخچال طی یک چرخه، تمام انرژی را که از منبع سرد دریافت می‌کند به منبع گرم انتقال دهد . یعنی نمی توان یخچالی ساخت که بدون کار ورودی عمل کند. به عبارت ساده قانون دوم بیانگر مسیر انجام یک فرایند می باشد.

قانون سوم ترمودینامیکی:

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 .

دسته بندی ترمودینامیک

ترمودینامیک کلاسیک

ترمودینامیک آماری

کمیته ها وابسته

انتروپی

آنتالپی

انرژی آزاد گیبس

انرژی آزاد هلمهولتز

انرژی درونی

فشار

دما

حجم

ضریب انبساط حرارتی

ظرفیت گرمایی

تراکم پذیری

فیوگاسیته(بی‌دوامی)

اکتیویته (فعالیت)

مفاهیم مرتبط

سیستم

محیط

فرآیند

فرآیند برگشت ناپذیر

فرآیند برگشت پذیر

فرآیند خودبخودی

فرآیند غیر خود بخودی

فرآیند تعادلی

فرآیند غیر تعادلی

فرآیند هم‌دما (ایزوترم)

فرآیند هم‌فشار (ایزوبار)

فرآیند بی‌دررو (آدیاباتیک)

فرآیند هم‌حجم (ایزوکور)

حالت استاندارد

روابط ماکسول

قوانین ترمودینامیک

جستارهای وابسته

شیمی‌ فیزیک

ترمودینامیک مواد

ترمودینامیک شیمیایی

تاریخچه ترمودینامیک

منابع

↑ Oxford American Dictionary↑ Perrot, Pierre. A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press, 1998. ISBN ۰-۱۹-۸۵۶۵۵۲-۶.↑ Clark, John, O.E.. The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books, 2004. ISBN ۰-۷۶۰۷-۴۶۱۶-۸.↑ Partington, J.R.. A Short History of Chemistry. Dover, 1989. ISBN ۰-۴۸۶-۶۵۹۷۷-۱.

ترمودینامیک

مطالب مشابه :

شیمی فیزیک و ترمودینامیک مواد

دانلود کتاب ترمودینامیک مواد

ترمودینامیک مواد گسگل

ترمودینامیک

ترمودینامیک

دانلود کتاب مقدمه ای بر ترمودینامیک مواد گسکل + حل المسائل

حل تمرین مقدمه ای بر ترمودینامیک مواد (دیوید گسکل)