ترمودینامیک چیست؟

ترمودینامیک چیست؟ ترمودینامیک در میان مفاهیم فیزیکی از جایگاه ویژه ای برخورداراست. همچنین دامنه ی بسـیار گسترده ای از دستگاههای میکروسکوپی و ماکروسکوپی، مانند گاز الکترونـی، جامدات، موجودات زنده، خورشید، و تقریبـاً همـه چیز را در برمیگیرد. از آنجا که گرما یعنی انرژی در حال گذر (انتقال) و دینامیک، مفهومی است که با حرکت ارتباط دارد. در واقع میتوان گفت که واژه ی ترمودینامیک از به هم پیوستن دو کلمه ی ترمو و دینامیک، به معنای نیروی گرما حاصل می شود. بعلاوه ترمودینامیک انرژی حرکت و چگونگی انتقال انرژی در حرکت را بررسی می کند.

قوانین ترمودینامیک

ترمودینامیک علم انرژی و آنتروپی میباشد. بعلاوه ترمودینامیک علمی است که با حرارت، کار و آن دسته از خواصی که با کار و حرارت سروکار دارند مرتبط است و دارای قوانینی هست که درمورد آنها بحث خواهیم کرد.

قانون اول ترمودینامیک
اگر سیستمی فقط به طریقه بی درو از یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برده شود، کار انجام شده برای تمام مسیرهای بی درو که این دو حالت را به یکدیگر مربوط میکنند یکسان است.

با توجه به قانون اول میتوان گفت :

• 0 = تغییرات انرژی سیستم + تغییرات انرژی محیط
• Q – W = تغییرات انرژی محیط
• برای یک سیستم بسته ساکن که تغییر ارتفاع و حرکت نداشته باشد: ?− W = ∆? و d? − ?? = ??
• برای یک سیستم بسته ساکن عایق (آدیاباتیک): ?=W∆ 
• برای یک سیستم بسته ساکن ایزوله: ?=0∆ 

قانون دوم ترمودینامیک
در میان نظریه های علمی، قانون دوم ترمودینامیک نظریه آنتروپی از اهمیت فلسفی فوق العاده ای برخوردار است. برخی متکلمان با پذیرش قانون دوم، متناهی بودن عمر جهان و یا حدوث زمانی آن را نتیجه گرفته اند، و از این رو مؤید این تصور هستند که خداوند آفریننده جهان است (323, 1971 Barbour).

از آنجاییکه قانون دوم ترمودینامیک (اصل آنتروپی) از اهمیت فلسفی ـ الهیاتی ویژه ای برخوردار است. به نظر می رسد، این قانون که به «مرگ نرم نظم» مشهور شده با وجود نظم در جهان به مثابه یک کل ناسازگار است. برای بیان قانون دوم ترمودینامیک، شیوه های مختلفی وجود دارد که دو نمونه از آنها را بیان میکنیم. بیان اولیه کلوین و بیان پلانک. هرچند قانون اول در مورد کمیت انتقال انرژی صحبت می کند اما در مورد کیفیت انرژی و جهت انتقال انرژی اطلاعاتی را به ما نمی دهد. بنابراین به تنهایی برای بررسی امکان یا عدم امکان انجام فرآیندها کافی نمی باشد.

بیان قانون دوم

1. هیچ وسیله‌ای نمی‌تواند چنان اثر کند که تنها اثر آن در (سیستم و محیط) تبدیل کامل گرمای جذب شده در سیستم، به کار باشد.
2. هیچ فرآیندی توانایی انتقال گرما از یک سطح دمای پایین به سطح دمای بالاتر راندارد.

توجه: قانون دوم ، تولید کار از گرما را رد نمی کند بلکه محدودیت تبدیل کل گرما به کار را بیان می کند. تولید کار از گرما ، اساس بیشتر وسایل مکانیکی میباشد.

توصیفات قانون دوم

1. توصیف کلوین پلانک (Kelvin-Plank) : یعنی امکان ندارد در یک ماشین گرمایی بازده 100% باشد.
2. توصیف کالوزیوس (Clausius) : برای اینکه وسیله ای ساخت که بطور مداوم در یک چرخه عمل بکند بطوریکه تنها اثر آن عبارت باشد از انتقال مقدار معینی گرما از یک مخزن در دمای پائین به یک مخزن در دمای بالا نشدنی است

قانون سوم ترمودینامیک

بیان اول که به اصل غیرقابل دسترس بودن صفر مطلق یا بیان غیرقابل دسترس بودن قانون سوم ترمودینامیک معروف است به این صورت تعریف میشود که: ممکن نیست از طریق یک سلسله فرآیند متناهی به صفر مطلق دست یافت. قانون دوم معروف به بیان نرنست-سایمون با نزدیک شدن دما به صفر، تغییر آنتروپی وابسته به تمام فرآیندهای برگشتپذیر همدمای یک سیستم چگال، به صفر نزدیک میشود. بیان سوم، اگر آنتروپی سیستم در صفر مطلق، آنتروپی نقطه صفر نامیده شود که البته ممکن نیست بتوان با یک سلسله فرآیند متناهی آنتروپی یک سیستم را به نقطه صفر آن رساند. بعلاوه آنتروپی مطلق برای تمام مواد بلورین کامل در صفر درجه کلوین برابر صفر است.

سیستم ترمودینامیکی

سیستم ترمودینامیکی ترکیبی از وسایل هایی است که شامل ماده مورد بررسی است. یک سیستم به طور قراردادی یک حجم محدود را مشخص میکند و از مابقی دنیا به وسیله یک مرزکه احتمال دارد موهومی باشد یا نباشد جدا میشود. تبادل کار، گرما یا ماده بین سیستم و محیط از طریق مرز صورت میگیرد.

این مرزها به چهار نوع تقسیم می شوند که عبارتند از :

• ساده
• قابل حرکت
• حقیقی
• موهومی

هر چیزی که از مرز عبور کند و یک تغییر در انرژی درونی ایجاد کند، لازم است که در معادله موازنه انرژی به حساب آید. آن چیز می تواند ناحیه حجمی احاطه کننده انرژی تشدید یک تک اتم باشد مانند آنچه پلانک در سال 1900 تعریف کرد و همچنین میتواند یک حجم از بخار یا هوا در یک موتور بخار باشد مانند آنچه سعدی کارنو در سال 1824 تعریف کرد. همچنین میتواند یک جسم از یک گردباد گرمسیری مانند چیزی که کری ایمونوئل در سال 1986 در زمینه ترمودینامیک جوی نظریه پردازی کرد، باشد یا میتواند فقط یک هستک (یعنی یک سیستم از کوارکها) مانند آنچه که در حال حاضر در ترمودینامیک کوانتومی نظریه پردازی میشود باشد.

چند نوع از سیستمها به صورت زیر میباشد:

1.  سیستم های ایزوله : ماده و انرژی از مرز عبور نمیکنند.
2. سیستم بی دررو : گرما نباید از مرز عبور کند.
3.  سیستم هادی : گرما ممکن است از مرز عبور کند.
4.  سیستم بسته : ماده از مرز عبور نمیکند.
5.  سیستم باز : گرما، کار و ماده میتوانند از مرز عبور کنند.

(گاهی در این حالت حجم قابل کنترل است) با گذشت زمان در یک سیستم منزوی، اختلاف های درونی در سیستم از بین می روند و فشار و دما به سمت برابر شدن میروند. تعادل ترمودینامیکی در سیستمهای ترمودینامیکی به حالتی گفته میشود که در آن سیستم در حالت تعادل مکانیکی، تعادل شیمیایی و تعادل گرمایی باشد؛ تحت این شرایط هیچ گونه تمایلی برای تغییر حالت در سیستم و در محیط آن وجود ندارد.

دسته بندی ترمودینامیک

1. ترمودینامیک کلاسیک
2. ترمودینامیک آماری

ترمودینامیک کلاسیک

ترمودینامیک کلاسیک را میتوان به عنوان یک دگرگونی در علم ترمودینامیک در اوایل دهه 1800 دانست و آن را از دو دیدگاه میکروسکوپی و ماکروسکوپی بررسی نمود.

دیدگاه ها

1. میکروسکوپیک
2. ماکروسکوپیک

دیدگاه میکروسکوپی ترمودینامیک کلاسیک

در این دیدگاه، کمیتهایی مانند سرعت، انرژی، جرم و اندازه حرکت زاویه ای در نظر گرفته میشوند. همچنین خواص میکروسکوپی را نمیتوان به طور مستقیم با حواس درک کرد.

دیدگاه ماکروسکوپی ترمودینامیک کلاسیک

همانگونه که از کلمه ماکروسکوپیک استنباط می شود اثرات کلی و قابل توجه تعداد زیادی از مولکولها مورد بررسی قرار میگیرد که این اثرات را می توان با حواس درک کرده و در آزمایشگاه اندازه گیری کرد.

ترمودینامیک آماری

در ترمودینامیک آماری، براساس نظریه های آمار و احتمال، مقادیر متوسط را برای همه ذرات سیستم در نظر می گیریم که این عمل معمولاً در ارتباط با مدلی از اتم موردنظر انجام می شود.

در این روش همه ی خصوصیات ماکروسکوپیک مانند دما، حجم، فشار، انرژی، آنتروپی و غیره از خصوصیات مربوط به ذرات سازنده ی در حال حرکت و برهم کنشهای بین آنها (شامل پدیده های کوانتومی) و محیط به دست می آید که این عمل با موفقیتهای بسیاری همراه بوده است. همچنین درصورتیکه کمیت های ماکروسکوپیک برحسب کمیت های میکروسکوپیک تعریف شود، میتوان قوانین ترمودینامیکی را به طور کمی به زبان مکانیک آماری بیان کرد.

تعادل و چرخه

تعادل چیست؟ (Equilibrium)
در یک حالت تعادل هیچ نیروی موازنه نشده ای در سیستم وجود ندارد.

انواع تعادل

• تعادل گرمایی : دما در تمام نقاط سیستم یکنواخت است.
• تعادل مکانیکی : فشار در هیچ نقطه ای داخل سیستم بازمان تغییر نمی کند.
• تعادل فازی : فازها در تعادل با همدیگراند.
• تعادل شیمیایی

فرآیند (Process)

• هر تغییری که در حالت شدتی سیستم انجام شود و باعث شود سیستم از یک حالت تعادل به حالت تعادلی دیگری برسد

فرآیند شبه تعادلی (Quasi-Equilibrium)

هرگاه فرآیند طوری انجام شود که همواره سیستم به مقدار بی نهایت کوچک از حالت تعادل انحراف داشت باشد.

انواع فرایند های ترمودینامیکی

• فرآیند چرخه ای (Cyclic): هرگاه حالت ابتدایی و نهایی یک فرآیند یکسان باشد.
• فرآیند بی دررو (Adiabatic): فرآیندی است که در طی آن هیچ گرمایی از مرزهای سیستم عبور نکند.
• فرآیند هم حجم (Isochoric): فرآیندی است که در طی آن حجم سیستم ثابت می ماند
• فرآیند هم فشار (Isobar): فرآیندی است که در طی آن فشار سیستم ثابت می ماند.
• فرآیند همدما (Isothermal): فرآیندی است که در طی آن دمای سیستم ثابت می ماند.