ترمودینامیک چیست؟ و قوانین thermodynamic

ترمودینامیک به عنوان یک علم گسترده به مطالعه و تحقیق گرما و انرژی می پردازد. در این علم ابزارهای کوچک و بزرگ زیادی مانند جامد، گاز الکترونی، موجودات زنده، خورشید و غیره وجود دارد. از آنجایی که تقریباً تمام قوانین فیزیک به نوعی بر حسب انرژی بیان می شوند، این علم بدون ترمودینامیک نمی تواند ادامه یابد. این علم به مطالعه و بررسی انرژی حرکتی و نحوه انتقال انرژی در حرکت می پردازد. در ادامه مطلب ترمودینامیک چیست؟ همراه پورتال جامع مهندسین ایران باشید.

ترمودینامیک چیست ؟

سرانجام، «گابریل فارنهایت» (Gabriel Fahrenheit)‌ در قرن هجدهم میلادی توانست دما را اندازه بگیرد، اما توضیح مناسبی برای چرایی گرم یا سرد شدن مواد نیافت. دانشمندان زیادی، مانند «آنتونی لاوازیه» (Antonie Lavoisier) تلاش کردند تا چرایی این موضوع را توضیح دهند. او از نظریه کالری برای توضیح انتقال گرما یا حرارت استفاده کرد. بر طبق این نظریه، گرما به صورت اِتِر یا مایعی بی‌رنگ منتقل می‌شود.

لاوازیه بیان کرد که گرما یا حرارت از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود. گرچه لاوازیه این نظریه را قبول داشت، اما مفهوم آن اشتباه بود. در حقیقت، در قرن ۱۸ میلادی از اتر برای توضیح بسیاری از پدیده‌های ناشناخته استفاده می‌شد. نظریه‌های اترِ زیادی وجود داشتند که با یکدیگر متناقض بودند. تعداد زیادی از مهندسان، شیمی‌دان‌ها، فیزیک‌دان‌ها و ریاضی‌دان‌ها در سراسر جهان تلاش کردند تا فیزیک حاکم بر گرما و حرکت را به‌دست آورند.

تعریف انرژی و جرم

به توانایی انجام کار، انرژی می گویند که به دو نوع انرژی جنبشی و پتانسیل تقسیم می شود. واحد انرژی بر حسب ژول بیان می شود. یک ژول برابر است با نیرویی یک نیوتنی که می تواند جسمی را به اندازه یک متر جابجا کند. صورت های مختلفی از انرژی به شکل انرژی گرمایی، شیمیایی، هسته ای، گرانشی، الکتریکی، مغناطیسی و … وجود دارد.

به مقدار ماده ای که یک جسم دارد، به عنوان جرم جسم تعریف می شود. به عبارتی با استفاده از حد و میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروی وارد شده از طرف آن، می توان به اندازه گیری آن پرداخت. از نیروی گرانشی زمین در هنگام تعیین جرم یک جسم، صرف نظر می شود.

میزان جرم و انرژی در یک سیستم ثابت و تغییرناپذیراست، این را به عنوان قانون نسبیت جرم و انرژی می شناسند. در این قانون (E = mc۲) که به قانون اینشتین معروف است، جرم و انرژی نه تولید می شود و نه از بین می رود. بلکه فقط می تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود.

تعریف گرما، انتقال آن و کار

همان طور که گفته شد، انرژی می تواند به صورت های دیگر تبدیل شود. یکی از شکل های انرژی، گرما است. به وجود آمدن گرما به شکل خود به خودی نبوده و هیچ وقت نیز از بین نمی رود. وقتی در یک محیط اختلاف دما وجود داشته باشد، گرما از جایی که دمای بالایی دارد به محیطی با دمای کمتر منتقل می شود. انتقال گرما می تواند به سه روش رسانش، همرفت و یا تابش صورت بگیرد.

عامل انجام کار، نیرو است. نیروی وارد شده بر جسمی ساکن که می تواند در جهت وارد شدن آن نیرو، حرکت کند، عامل انجام کار است. مقدار کار را که با واحد ژول بیان می شود از رابطه زیر به دست می آورند.

W = F.d

یعنی حاصل ضرب نیرو در جابه جایی، کار است. کار تابع مسیر بوده و وابسته به سابقه سیستم است.

تفاوت مکانیک و ترمودینامیک چیست ؟

تا اینجا می‌دانیم ترمودینامیک چیست. دانستن تفاوت این شاخه از فیزیک با مکانیک، خالی از لطف نیست. در فیزیک مکانیک، تنها روی حرکت ذرات و اجسام، تحت‌تاثیر نیروها و گشتاورها، تمرکز می‌کنیم. در مقابل، ترمودینامیک در حالت کلی تنها روی حرکت سیستم تمرکز نمی‌کند. در واقع، ترمودینامیک تنها به حالت ماکروسکوپی داخلی جسم توجه می‌کند.

جدول زمانی ترمودینامیک چیست ؟

مخترعی انگلیسی به نام «توماس نیوکامن» (Thomas Newcomen) در سال ۱۷۱۲ میلادی موتور بخار بهبودیافته را اختراع کرد. در حدود ۷۶ سال بعد و در سال ۱۷۹۸ میلادی، فیزیک‌دانی به نام «کانت رامفورد»‌ (Count Rumford) آزمایش‌هایی در مورد تبدیل کار به گرما انجام داد. در سال ۱۸۲۴ میلادی، کارنو مقاله‌ای تحت‌ عنوان، انعکاس نیرو محرکه آتش، چاپ کرد. در سال‌های بین ۱۸۴۰ تا ۱۸۵۰ میلادی دانشمندانی مانند «مِیِر» (Mayer)، «ژول» (Joule)‌ و «هلمهولتز» (Helmholtz) هر کدام جداگانه جداگانه به اصل پایستگی انرژی رسیدند. ده سال بعد، «کلازیوس» (Clausius) قانون دوم ترمودینامیک را فرمول‌بندی کرد.

قوانین ترمودینامیک

علم ترمو دینامیک به مطالعه گرما و نسبت آن با گرما و انرژی پرداخته و علم انرژی و آنتروپی است. با استفاده از قوانین این علم می توان نیازهای کار و انرژی تعریف می شود. برای اولین بار قوانین ترمو دینامیک در قرن نوزدهم میلادی، همزمان با انقلاب صنعتی به وجود آمد.

ترمودینامیک از چهار قانون تشکیل شده است:

• قانون صفرم ترمودینامیک
• قانون اول ترمودینامیک
• قانون دوم ترمودینامیک
• قانون سوم ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک چیست ؟

این قانون، در مورد تعادل گرمایی صحبت می‌کند. تعادل گرمایی بین دو سیستم هنگامی رخ می‌دهد که هیچ هدایت گرمایی بین آن‌ها رخ ندهد. بر طبق این قانون، اگر دو سیستم به نام‌های سیستم‌های A و B با سیستم سومی به نام C در تعادل گرمایی باشند، دو سیستم A و B نیز با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند. این جمله در نگاه نخست بسیار واضح به نظر می‌رسد، اما مفهوم بسیار مهمی در آن نهفته است. به بیان دیگر، اگر دمای دو جسم یکسان باشد، هیچ هدایت گرمایی بین آن‌ها پس از تماس با یکدیگر اتفاق رخ نمی‌دهد. این جمله به ما می‌گوید که دما نشانه‌ای از تعادل گرمایی است. دو جسم با دمای یکسان، در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند.

قانون اول ترمودینامیک چیست ؟

طبق این قانون جرم و انرژی به وجود نمی آیند و از بین هم نمی روند. بلکه فقط می توانند به شکل های مختلفی از هم تبدیل شوند. جامد، مایع، گاز و پلاسما شکل های تبدیلی این مواد و انرژی به همدیگر است. به عبارتی بر اساس این قانون ورودی و خروجی هر ماشینی با هم برابر است.

با توجه به این قانون می توان گفت که تغییرات انرژی یک سیستم برابر است با انرژی ورودی منهای انرژی خروجی سیتم است.

E = Ein – EOUT∆

براساس این قانون تغییرات انرژی محیط به اضافه تغییرات انرژی سیستم برابر با صفر خواهد بود.

قانون دوم ترمودینامیک چیست ؟

از نظر فلسفی قانون دوم ترمو دینامیک دارای اهمیت زیادی است تا جایی که برخی بر این عقیده استوارند که از راه این قانون می توان ثابت کرد که دنیا متناهی و تمام شدنی است. این قانون که به قانون آنتروپی نیز معروف است به دو شکل بیان می شود. وجود نقص در قانون اول را از این موضوع که نمی تواند درباره کیفیت انرژی و جهت انتقال آن اطلاعاتی ارائه دهد، می توان متوجه شد. چون قانون اول ترمو دینامیک درباره کمیت انتقال انرژی بحث می کند و برای امکان واقع شدن یک واکنش و یا این که این واکنش انجام نشود، نمی تواند کافی باشد.

قانون سوم ترمودینامیک چیست ؟

قانون سوم ترمودینامیک در مورد مفهوم عجیب دیگری به نام صفر مطلق صحبت می‌کند. دما می‌تواند بسیار بالا یا بسیار پایین باشد. شاید هیچ ایده‌ای در مورد سردترین دمای ممکن نداشته باشید.دما به صورت اندازه‌گیری انرژی گرمایی در دسترس، تعریف می‌شود. انرژی گرمایی برابر مجموع انرژی جنبشی سیستم است. با کاهش دما، انرژی درونی سیستم و در نتیجه انرژی جنبشی هر ذره کاهش می‌یابد. اگر دمای سیستم بسیار پایین بیاید، حرکت ذرات آهسته می‌شود و در نهایت متوقف می‌‌شوند. به بیان دیگر، با کاهش دما، انرژی جنبشی ذرات کاهش می‌یابد.

نبود انرژی جنبشی به معنای نبود دما است. اگر دما را به صورت مجموع انرژی جنبشی ذرات تشکیل‌دهنده سیستم تعریف کنیم، صفر بودن انرژی جنبشی به معنای دمای صفر است. به این دما، صفر مطلق گفته می‌شود و در آن انرژی جنبشی ذرات تشکیل‌دهنده سیستم برابر صفر است. در دمای صفر مطلق، هر جسمی، حتی هیدروژن و هلیوم، جامد هستند.

سیستم ترمودینامیکی

به مجموعه ای از وسیله ها برای بررسی ماده، یک سیستم ترمو دینامیکی گفته می شود. هر سیستم از یک حجم محدودی تشکیل شده است که با یک مرز موهومی یا غیر موهومی از بقیه محیط دنیا سوا می شود. مرز رابط بین سیستم و محیط برای تبادل گرما، کار و یا ماده است. چها رنوع مرز ساده، قابل حرکت، حقیقی و موهومی وجود دارد. تغییراتی که در انرژی درونی سیستم به واسطه عبور ماده، گرما و یا انرژی به وجود می آید، باید در معادله موازنه انرژی لحاظ شود.

انواع سیستم های ترمودینامیکی

سیستم ایزوله که در این نوع از سیستم ها هیچ تبادل ماده و انرژی بین سیستم و محیط وجود ندارد. نوع دیگر سیستم بی دررو است که در این نوع از سیستم ها، گرما از مرز توانایی عبور ندارد. مورد بعدی سیستم هادی است که در این سیستم بر خلاف سیستم بی دررو، گرما از مرز عبور می کند. اما سیستم بسته مورد بعدی است که ویژگی این سیستم عدم عبور ماده از مرز سیستم است. سیستم باز هم نوعی است که در این سیستم از مرز سیستم و محیط، ماده، کار و گرما عبور می کند.

دسته بندی ترمودینامیک

ترمو دینامیک را می توان به دو دسته کلاسیک و آماری تقسیم کرد.

کلاسیک

از دیدگاه میکروسکوپی در نوع کلاسیک از این علم، کمیت هایی مانند سرعت، انرژی، جرم و اندازه حرکت مد نظر قرار می گیرد. درک این حواس از طریق حواس پنجگانه امکان ندارد. اما از دیدگاه ماکروسکوپی خواصی که از طریق حواس پنجگانه قابل درک و در آزمایشگاه قابل اندازه گیری است، مورد بررسی قرار می گیرد.

آماری

مقدارهای متوسطی برای همه ذره های موجود در سیستم با توجه به نظریه های موجود در آمار و احتمال در نظر گرفته می شود. در این نوع از ترمو دینامیک، عمل مطابق با در نظر گرفتن مدلی از اتم مد نظر، انجام می شود. از خواص و ویژگی هایی که ذرات تشکیل دهنده یک سیستم و برهمکنش هایی که بین آن ها با محیط وجود دارد، می توان خواص ماکروسکوپی مانند انرژی، فشار، حجم، دما و آنتروپی را به دست آورد. علاوه بر این می توان با استفاده از ترمو دینامیک آماری، قوانین ترمو دینامیکی از نظر کمیت با زبان مکانیک آماری، در صورت تعریف کمیت های ماکروسکوپی بر اساس کمیت های میکروسکوپی، قابل بیان خواهد بود.

سوالات متداول ترمودینامیک