ترمودینامیک چیست؟

مقدمه:

مراحل مطالعه ترمودینامیک قدم اول در مطالعه
ترمودینامیک ، انتخاب قسمتی از فضا یا شی و یا نمونه است که به اختیار در
نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز میشود این قسمت را اصطلاحا سیستم
میگویند.

مراحل مطالعه ترمودینامیک قدم اول در مطالعه
ترمودینامیک ، انتخاب قسمتی از فضا یا شی و یا نمونه است که به اختیار در
نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز میشود این قسمت را اصطلاحا سیستم
میگویند. بقیه فضا یا شی نمونه را که در تماس با سیستم بوده و در تحولات
سیستم دخالت دارد یا به بیان دیگر با سیستم اندرکنش میکند، به مفهوم کلمه ،
محیط اطراف میگوییم.

قدم بعدی انتخاب روش و یا دیدگاهی است که بررسی و
مطالعه از آن دیدگاه صورت میگیرد. در این رهگذر دو دیدگاه به ظاهر متفاوت
وجود دارد که عبارتند از:

▪ دیدگاه ماکروسکوپیک (Macroscopic)

دیدگاه ماکروسکوپیک ، یک نگرش کلی است و مشخصات کلی ،
یا خواص بزرگ مقیاس سیستم ، مبنای توصیف ماکروسکوپی سیستم را تشکیل
میدهند. بطور خلاصه ، توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت از مشخص کردن چند
ویژگی اساسی و قابل اندازه گیری آن سیستم است. دیدگاه میکروسکوپیک (Microscopic) از نظر آماری ، یک سیستم متشکل از تعداد بسیار زیادی ملکول ( N مولکول) که هر کدام از این مولکولها میتواند در مجموعهای از حالتهایی که انرژی آنها مساوی E۱ و E۲ و
است، قرار میگیرد. این سیستم را میتوان بصورت منزوی در نظر گرفت و یا در
بعضی موارد میتوان فرض کرد که مجموعهای از سیستمهای مشابه ، یا جمعی از
سیستمها ، آنرا در بر گرفتهاند. سیر تحولی و رشد زمانی که برابری حرارت با
انرژی مکانیکی ، بطور قاطع محقق شد، موقع آن فرا رسید که کار دانشمند معروف
«سادی کارنو» درباره قوانین مربوط به تبدیل شکلی از انرژی به شکل دیگر ،
تصمیم یابد. نخستین گامی که در این جهت برداشته شد، توسط فیزیکدان آلمانی ،
رودلف کلاسیوس (Clausius) و فیزیکدان انگلیسی ، لرد کلوین (Keluin)
در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت. این تلاشها به همین صورت ادامه یافت تا
اینکه قوانین اساسی ترمودینامیک که بدنه اصلی و زیر بنای این علم را تشکیل
میدهند، تدوین شد.

قوانین اساسی ترمودینامیک قانون صفرم ترمودینامیک یک
کمیت اسکالر به نام دما وجود دارد که خاصیتی است متعلق به تمام سیستمهای
ترمودینامیکی (در حال تعادل) ، بطوری که برابری آن شرط لازم و کافی برای
تعادل گرمایی است قانون اول ترمودینامیک اگر سیستمی فقط به طریقه بیدررو از
یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برده شود، کار انجام شده برای تمام
مسیرهای بیدررو که این دو حالت را به یکدیگر مربوط کنند، یکسان است. قانون
دوم ترمودینامیک هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل
این آزمایشهای مربوط به گرما به کار باشد، امکان پذیر نیست. به بیان دیگر
میتوان گفت که امکان ندارد که تنها اثر یک ماشین چرخهای آن باشد که بطور
مداوم آزمایشهای مربوط به گرما را از جسمی به جسم دیگر با دمای بالا منتقل
کند. قانون سوم ترمودینامیک این قانون بیان میکند که ممکن نیست از طریق یک
سلسله فرآیند متناهی به صفر مطلق دست یافت.

به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است. البته به
نزدیکیهای صفر مطلق میشود رسید، اما خود صفر مطلق قابل دسترس نمیباشد.
ارتباط کمیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک کمیتهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک
هر سیستمی باید باهم ارتباط داشته باشند. زیرا آنها از دو راه مختلف ،
وضعیت یکسانی را توصیف میکنند. بویژه ، باید بدانیم که کمیتهای ماکروسکوپیک
را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک بیان کینم. بعنوان مثال فشار یک گاز ، عملا
با استفاده از فشارسنج اندازه گیری میشود، اما از دیدگاه میکروسکوپیک ،
فشار مربوط است به آهنگ متوسط انتقال اندازه حرکت ملکولهای گاز که به واحد
سطح فشارسنج برخورد میکنند. اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب
کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، قادر خواهیم بود قوانین ترمودینامیک را
بطور کمی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم. چشم انداز ترمودینامیک توصیف
مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه گیری آن ، که
کم و بیش توسط حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیک است. این
توصیفها نقطه شروع تمام بررسیها در تمام شاخههای فیزیک هستند. اما در
ترمودینامیک توجه ما به داخل سیستم معطوف میشود، بنابراین دیدگاه
ماکروسکوپی را اختیار میکنیم و بر آن دسته از کمیات ماکروسکوپی تأکید
میکنیم که رابطهای با حالت داخلی سیستم داشته باشند.

تعیین کمیتهایی که برای توصیف این حالت داخلی لازم و
کافی هستند، به عهده آزمایش است. آن کمیتهای ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی
سیستم مربوط هستند، مختصات ترمودینامیک خوانده میشوند. این مختصات ، برای
تعیین انرژی داخلی سیستم بکار میآیند. هدف ترمودینامیک ، پیدا کردن روابط
کلی این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار
باشند. سیستمی را که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم
ترمودینامیکی میگویند.

مراحل مطالعه ترمودینامیک

قدم اول در مطالعه ترمودینامیک ، انتخاب قسمتی از فضا
یا شی و یا نمونه است که به اختیار در نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز
می‌شود این قسمت را اصطلاحا سیستم می‌گویند. بقیه فضا یا شی نمونه را که در
تماس با سیستم بوده و در تحولات سیستم دخالت دارد یا به بیان دیگر با
سیستم اندرکنش می‌کند، به مفهوم کلمه ، محیط اطراف می‌گوییم.

قدم بعدی انتخاب روش و یا دیدگاهی است که بررسی و
مطالعه از آن دیدگاه صورت می‌گیرد. در این رهگذر دو دیدگاه به ظاهر متفاوت
وجود دارد که عبارتند از:

دیدگاه ماکروسکوپیک (Macroscopic)

دیدگاه ماکروسکوپیک ، یک نگرش کلی است و مشخصات کلی ،
یا خواص بزرگ مقیاس سیستم ، مبنای توصیف ماکروسکوپی سیستم را تشکیل
می‌دهند. بطور خلاصه ، توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت از مشخص کردن چند
ویژگی اساسی و قابل اندازه‌ گیری آن سیستم است.

دیدگاه میکروسکوپیک (Microscopic)

از نظر آماری ، یک سیستم متشکل از تعداد بسیار زیادی ملکول ( N مولکول) که هر کدام از این مولکولها می‌تواند در مجموعه‌ای از حالتهایی که انرژی آنها مساوی E1 و E2 و …
است، قرار می‌گیرد. این سیستم را می‌توان بصورت منزوی در نظر گرفت و یا در
بعضی موارد می‌توان فرض کرد که مجموعه‌ای از سیستمهای مشابه ، یا جمعی از
سیستمها ، آنرا در بر گرفته‌اند.

سیر تحولی و رشد

زمانی که برابری حرارت با انرژی مکانیکی ، بطور قاطع
محقق شد، موقع آن فرا رسید که کار دانشمند معروف «سادی کارنو» درباره
قوانین مربوط به تبدیل شکلی از انرژی به شکل دیگر ، تصمیم یابد. نخستین
گامی که در این جهت برداشته شد، توسط فیزیکدان آلمانی ، رودلف کلاسیوس (Clausius) و فیزیکدان انگلیسی ، لرد کلوین (Keluin)
در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت. این تلاشها به همین صورت ادامه یافت تا
اینکه قوانین اساسی ترمودینامیک که بدنه اصلی و زیر بنای این علم را تشکیل

دسته بندی ترمودینامیک :

ترمودینامیک کلاسیک

ترمودینامیک آماری

قانو های ترمودینامیک :

قانون صفرم

قانون اول

قانون دوم

قانون سوم

قانون صفرم ترمودینامیک

 از پایه گذاران علم ترمودینامیک در زبان یونانی Thermos به معنای “گرما و حرارت” و Dynamic به معنای “تغییرات” می باشد و لغت Thermodynamic
بیانگر شاخه ای از علم فیزیک می باشد که به بررسی رفتار خواص کلی سیستم ها
مانند فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و … می پردازد. از جمله
مسائل مورد علاقه این علم می توان به بررسی قوانین حاکم بر تبدیل انرژی
گرمایی به کار اشاره. قوانین اصلی حاکم بر این علم بسیار جالب بوده و
مصادیق بسیاری در سایر علوم تجربی و نظری نیز دارند سعی خواهیم کرد که طی
چند مطلب به تشریح ساده آنها بپردازیم.

قانون صفرم (Zeroth law)

برای هیچ یک از ما شکی وجود ندارد هنگامی که یک لیوان
آب جوش را در یک ظرف بزرگتر آب سرد قرار می دهیم، پس از گذشت زمان لازم
دمای آب درون لیوان و آب بیرون آن – درون ظرف بزرگتر – یکسان می شود.
اینگونه بنظر می آید که میان دو منبع – منظور لیوان آب جوش و ظرف آب سرد –
مفهومی بنام گرما به حرکت در می آید و از جایی که بیشتر است به سمت جایی که
کمتر است حرکت می کند تا به تعادل گرمایی برسند.

مثال دیگر آنکه هنگامی که یک لیوان آب یخ را بدست
میگیرد بوضوح احساس می کنید چیزی – بنام گرما – از دست شما به سمت لیوان
جاری می شود و ضمن سرد کردن دست شما به گرم کردن لیوان مشغول می شود. نمونه
معکوس حالتی است که شما یک لیوان چای داغ را در درست می گیرد. در هر دو
مورد اگر لیوان ها را برای مدت طولانی در دست نگاه داریم دیگر احساس خاصی
نخواهیم داشت و دمای لیوان ها با دمای بدن ما یکسان می شود.

این نمونه تجربه های به ظاهر ساده مصادیقی از قانون صفرم ترمودینامیک می باشند که معمولآ به اینصورت بیان می شود : “اگر A و B با جسم سومی مانند C در تعادل گرمایی باشند، حتمآ با یکدیگر نیز در تعادل خواهند بود.”

 

دقت کنید که این خاصیت اگر چه بنظر ساده می آید اما
در تمام موارد یکسان نیست و حتی شاید به نوعی ابهام هم داشته باشد. بعنوان
مثال دلیلی وجود ندارد، اگر آقای A، گربه C را دوست داشته باشد و آقای B هم این گربه را دوست داشته باشد، در آنصورت آقایان A و B به یکدیگر علاقه داشته باشند.

قانون صفرم ترمودینامیک در واقع تاکیدی است بر وجود
یک کمیت بنام دما که مقدار آن در سیستم های ترمودینامیکی در حال تعادل
یکسان می باشد. مشابه این قانون اگرچه در فیزیک الکتریسیته تعریف خاصی شاید
نداشته باشد وجود دارد. شما وقتی دو منبع با پتانسیل های مختلف الکتریکی
را از طریق یک سیم هادی به یکدیگر متصل کنید و مدار بسته ای تشکیل دهید،
جریان الکتریسیته آنقدر در مدار جاری خواهد بود – و تلف خواهد شد – تا
پتانسیل دو منبع یکسان شود.

علت آنکه این قانون با شماره صفر مشخص می شود آن است
که بسیار پایه ای بوده و نیز پس از گذشت سالها اسفتاده از سایر قوانین
ترمودینامیک، در اوایل قرن بیستم به جمع قوانین ترمودینامیک پیوسته است.

قانون اول ترمودینامیک

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.

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.

بیان کلوین-پلانک

ساخت یک موتور گرمایی سیکلی (چرخه‌ای) که جز جذب گرما
از منبع و انجام کار مساوی با گرمای جذب شده تأثیر دیگری بر محیط نداشته
باشد، غیر ممکن است.

یا می‌توان گفت که: ساخت ماشین گرمایی با بازدهی ۱۰۰ درصد غیرممکن است.

به بیان ساده‌تر امکان ندارد یک ماشین گرمایی تمام
انرژی را که طی یک چرخه از منبع گرم به دست می آورد به کار تبدیل کند؛ بلکه
مقداری از این انرژی به صورت انرژی تلف شده به منبع سرد داده می‌شود.

 بیان کلازیوس

ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال مداوم گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، غیر ممکن است.

به بیان ساده تر امکان ندارد که یک یخچال طی یک چرخه،
تمام انرژی را که از منبع سرد دریافت می کند به منبع گرم انتقال دهد؛ بلکه
مقداری از این انرژی را طی این فرایند به کار تبدیل می‌کند.

 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:

هنگامی که ،

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.

---

تاریخچه ی: ترمودینامیک

تعریف ترمودینامیک:

ترمودینامیک شاخهای از فیزیک است که در آن ، تعدادی از خواص اجسام را که به علت تغییر دما ، متغییر می‌شوند، مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

مراحل مختلف در مطالعه ترمودینامیک:

• قدم اول در مطالعه ترمودینامیک ، انتخاب قسمتی از فضا
  یا شی و یا نمونه است که به اختیار در نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز
  می‌شود این قسمت را اصطلاحا سیستم می‌گویند. بقیه فضا یا شی نمونه را که در
  تماس با سیستم بوده و در گولات سیستم دخالت دارد یا به بیان دیگر با سیستم
  اندرکنش می‌کند، به مفهوم کلمه ، محیط اطراف می‌گوییم.

• قدم بعدی انتخاب روش و یا دیدگاهی است که برسی و مطالعه از آن
  دیدگاه صورت می‌گیرد. در این رهگذر دو دیدگاه به ظاهر متفاوت وجود دارد که
  عبارتند از:

دیدگاه ماکروسکوپیک ( Macroscopic ):

دیدگاه ماکروسکوپیک ، یک نگرش کلی است و مشخصات کلی ، یا خواص بزرگ ـ
مقیاس سیستم ، مبنای توصیف ماکروسکوپی سیستم را تشکیل میدهند. بطور خلاصه ،
توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت از مشخص کردن چند ویژگی اساسی و مقابل
اندازه‌گیری آن سیستم است.

دیدگاه میکروسکوپیک( Microscopic ):

از نظر آماری ، یک سیستم متشکل از تعداد بسیار زیادی ملکول ، N ، که هر کدام از این ملکول‌ها می‌تواند در مجموعه‌ای از حالتهایی که انرژی آنها مساوی E1 و E2
… است، قرار می‌گیرد. این سیستم را می‌توان بصورت منزوی در نظر گرفت و یا
در بعضی موارد می‌توان فرض کرد که مجموعه‌ای از سیستم‌های مشابه ، یا جمعی
از سیستم‌ها ، آن را در بر گرفته‌اند.

سیر تحولی و رشد:

زمانیکه برابری حرارت با انرژی مکانیکی ، بطور قاطع محقق شد، موقع آن فرا رسید که کار دانشمند معروف «سادی کارنو»
درباره قوانین مربوط به تبدیل شکلی از انرژی به شکل دیگر ، تصمیم یابد.
نخستین گامی که در این جهت برداشته شد، توسط فیزیکدان آلمانی ، رودلف کلاسیوس (Clausius) و فیزیکدان انگلیسی ، لرد کلوین
( Keluin ) در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت. این تلاشها به همین صورت
ادامه یافت تا اینکه قوانین اساسی ترمودینامیک که بدنه اصلی و زیربنای این
علم را تشکیل می‌دهند، تدوین شد.

قوانین اساسی ترمودینامیک:

• قانون صفرم ترمودینامیک:
  یک کمیت اسکالر بنام دما وجود دارد که خاصیتی است متعلق به تمام سیستمهای ترمودینامیکی ( در حال تعادل ) ، به طوری که برابری آن شرط لازم و کافی برای تعادل گرمایی است.

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

• قانون دوم ترمودینامیک:
  هیچ
  فرایندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل این گرما به کار
  باشد، امکان پذیر نیست. به بیان دیگر می‌توان گفت که امکان ندارد که تنها
  اثر یک ماشین چرخهای آن باشد که بطور مداوم گرما را از جسمی به جسم دیگر با
  دمای بالا منتقل کند.

• قانون سوم ترمودینامیک:
  این قانون بیان می‌کند که ممکن نیست از طریق یک سلسله فرایند متناهی به صفر مطلق دست یافت. به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است. البته به نزدیکی‌های صفر مطلق می‌شود رسید، اما خود صفر مطلق قابل حصول نیست.

ارتباط کمیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک:

کمیتهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک هر سیستمی باید با هم ارتباط داشته
باشند. زیرا آنها از دو راه مختلف ، وضعیت یکسانی را توصیف می‌کنند. بویژه ،
باید بدانیم که کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک بیان
کینم.

بعنوان مثال فشار یک گاز ، عملا با استفاده از فشارسنج
اندازه‌گیری می‌شود، اما از دیدگاه میکروسکوپیک ، فشار مربوط است به آهنگ
متوسط انتقال اندازه حرکت ملکولهای گاز که به واحد سطح فشارسنج برخورد
می‌کنند. اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک
تعریف کنیم، قادر خواهیم بود قوانین ترمودینامیک را بطور کمی به زبان
مکانیک آماری بیان کنیم.

مکمل ترمودینامیک چیست؟

توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعی‌تر مکانیک آماری ، یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک
است. علاوه بر این ، بنیاد تیر بودن نکات مکانیک آماری ، به ما امکان
می‌دهد که اصول عادی ترمودینامیک را تا حد قابل توجهی تکمیل کنیم.

چشم انداز ترمودینامیک:

توصیف مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه‌گیری
آن ، که کم و بیش توسط حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیک است.
این توصیفها نقطه شروع تمام بررسیها در تمام شاخه‌های فیزیک هستند. اما در
ترمودینامیک توجه‌مان به داخل سیستم معطوف می‌شود، بنابراین دیدگاه
ماکروسکوپی را اختیار می‌کنیم و بر آن دسته از کمیتها ماکروسکوپی تاکید
می‌کنیم که رابطه‌ای با حالت داخلی سیستم داشته باشند.

تعیین کمیتهایی که برای توصیف این حالت داخلی لازم و کافی هستند، به
عهده آزمایش است. آن کمیتهای ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط
هستند، مختصات ترمودینامیک خوانده می‌شوند. این مختصات ، برای تعیین انرژی
داخلی سیستم به کار می‌آیند. هدف ترمودینامیک ، پیدا کردن روابط کلی این
مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند.
سیستمی را که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم
ترمودینامیکی می‌گویند.

---