ترمو در لغت به معنای دما و دینامیک به معنای متحرک و پر جنب و جوش است. در نتیجه اصطلاح ترمودینامیک در معنای تحت اللفظی به شاخه ای از فیزیک در زمینه پدیده های مکانیکی تولید شده به وسیله گرما مربوط می شود یا یه عبارت دقیق تر بیانگر رابطه کار و گرما و شیوه تبدیل آنها به یکدیگر است.
اصطلاح ترمودینامیک از ابداعات « لردکلوین» است و هدفش از این نامگذاری آن بود تا ماهیت دینامیکی گرما را برجسته ساخته و آنرا در تقابل با تصورات پیشین قرار دهد که گرما را نوعی سیال تصور می کرد.
با توجه به این تعریف از ترمودینامیک اکنون چندان جای تعجب نخواهد بود که دانشجوی جوان با آشنایی کم از علم و فیزیک از ارتباط ترمودینامیک با تغییرهای شیمیایی یا سیستم- هاي زیست شناختی و زمین شناختی شگفت زده شود. ترمودینامیک از چند جنبه با بسیاری از شاخه های دیگر فیزیک تفاوت عمده دارد. از مهمترین تفاوت ها می توان به این اشاره کرد که شاخه های دیگر فیزیک از جمله مکانیک ، الکترومغناطیس یا نسبیت هر کدام توسط یک نفر پایه گذاری شده اند اما در مورد ترمودینامیک چنین نیست در ترمودینامیک نمی توان فرد واحدی را به عنوان پایه گذار معرفی کرد.
مبانی ترمودینامیک برخاسته از نظریه های افرادی همچون «کارنو ، مایر ،ژول ، هلمهولتز ، رانکین ، کلوین و کلازیوس» است . که هر کدام گام موثری برای تکوین قانون های بزرگ ترمودینامیک برداشته اند
اولین هدف ترمودینامیک تبیین معیاری برای تعین خود بدون یک تحول فیزیکی یا فرایند شیمیایی است که می توان برای پاسخ از قانون اول و دوم ترمودیناک استفاده کرد.
دومین هدفت تعیین میزان پیشرفت یک فرایند پیش از رسیدن به تعادل است.
هر چند هدف اولیه ترمودینامیک شیمیایی تحلیل خود به خودی بودن و تعادل است ولی می توان از این روشها برای حل بسیاری از مسایل دیگر هم استفاده کرد. برای مثال بررسی تعادل های فازی در سیستم های ایده آل و ناایده آل برای استفاده در روش های استخراج، تقطیر، تبلور، به کارگیری در عملیات متالوژیکی و اطلاع ازگونه های مختلف که در سیستم های زمین شناختی پیدا می شوند از اهمیت بسیاری برخوردار است
یکی از مهمترین مزیت های ترمودینامیک کلاسیک استقلال آن از نظریه ملکولی است . به عبارت دیگر برای استفاده از روابط ترمودینامیکی نیازی به درک ساختار اتمی و ملکولی ماده نداریم یا با تغییر درک ها از ساختار ملکولی ماده نیازی به تغییرات روابط نیست . اما با استفاده از ترمودینامیک کلاسیک نمی توان اطلاعاتی در مقیاس ملکولی یا ساختار ملکول ها بدست آورد.
دیدگاه میکروسکوپی ترمودینامیک کلاسیک:
قوانینی که کمیتهای ماکروسکوپیک دخیل در فرایندهای شامل گرما( مانند فشار، حجم، دما، انرژی داخلی و آنتروپی) را به هم مربوط می کنند. اساس علم ترمودینامیک را تشکیل می دهند. بیشتر کمیتهای ماکروسکوپیک (مثلا فشار، حجم و دما) مستقیماً به ادراک حسی ما مربوط می شوند. 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.
چنانچه که گفته شد، اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیکی را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، می توانیم ترمودینامیک را به صورت ریاضی و فرمول بندی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم. در واقع، انجا
م چنین کاری گفته آر. سی . تولمان را تایید می کند که «توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعی تر مکانیک آماری، يکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک است» علاوه بر این بنیادی بودن نکات مکانیک آماری به ما امکان می دهد که اصول عادی ترمودینامیک را تاحد قابل توجهی تکمیل کنیم.
4. 22 لیتر گاز تک اتمی را در دمای 273 کلوین در نظر بگیرد . این گاز یک مول اتم گازی شکل داشته و دارای 6.022×1023 اتم است. برای مشخص کردن حالت این گاز از دیدگاه میکروسکوپی، باید مقادیر 3 متغیر مختصاتی لحاظ شود. حتی با استفاده از کامپیوتر نیز انجام چنین محاسباتی وقت گیر است. بنابراین این دیدگاه در ترمودینامیک کلاسیک کاربرد چندانی نداشته و بجای آن از ترمودینامیک آماری که بر پایه مکانیک آماری استوار است، استفاده می شود برخی از کتاب ها از دیدگاه را جزو ترمودینامیک آماری به حساب می آورند.
ویرایش دیدگاه ماکروسکوپی ترمودینامیک:
در این دیدگاه اثرات کلی یا متوسط ذرات در نظر گرفته شده و برروی آنها بحث میشود. مثلاً فشار معیاری از سرعت متوسط ذرات گاز است.
توصیف میکروسکوپیکی:
توصیف مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه گیری آن( مانند فشار، حجم، دما، انرژی داخلی، آنتروپی، چگالی و ...) که کم و بیش مستقیما با حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیکی است .این توصیفها نقطه شروع تمام بررسی هادر تمام شاخه های فیزیک هستند . مثلاَ در بررسی مکانیک یک جسم صلب، دیدگاه ماکروسکوپی را اتخاذ می کنیم.
مختصات مکانیکی:
برای بررسی مکانیک یک سیستم صلب از دیدگاه ماکروسکوپیکی استفاده می کنیم، زیرا فقط جنبه های خارجی جسم صلب را در نظر می گیریم. مکان مرکز جرم نسبت به محورهای مختصات در یک زمان مشخص می شود. مکان و زمان و ترکیبی از آن دو مانندسرعت بعضی از کمیتهای ماکروسکوپیکی متداول در مکانیک را تشکیل می دهند و به مختصات مکانیکی مشهورند.
کاربرد مختصات مکانیک:
مختصات مکانیکی برای تعیین انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی جسم صلب نسبت به محورهای مختصات استفاده می شود، یعنی انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل جسم به صورت یک کمیت کلی بکار می آیند. این دو نوع، انرژی خارجی یا مکانیکی جسم صلب را تشکیل می دهند. هدف مکانیک ، تعیین روابط بین مختصات مکان و زمان است که با قوانین نیوتن سازگار باشند.
مختصات ترمودینامیکی:
در ترمودینامیک توجه ما به داخل سیستم معطوف می شود. دیدگاه ماکروسکوپیکی را اختیار می کنیم و بر آن دسته از کمیت های ماکروسکوپیکی تاکید می کنیم که رابطه ای با حالت داخلی سیستم داشته باشند.
39
کمیت های ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط هستند، به عهده آزمایش است . آن کمیت های ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط هستند، مختصات ترمودینامیکی خوانده می شوند.
کاربرد مختصات ترمودینامیکی:
مختصات ترمودینامیک برای تعیین انرژی داخلی سیستم بکار می آیند. هدف ترمودینامیک پیدا کردن روابط کل بین این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند.
سیستم ترمودینامیکی وانواع آن:
سیستیمي که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم ترمودینامیکی می خوانند.
در مهندسی،سیستمهای مهم ترمودینامیکی عبارتند از : یک گاز، مانند هوا؛ یک بخار، مانند آب؛ یک مخلوط، مانند بنزین و هوا و یک بخار در تماس با مایع خود، مانند آمونیاک مایع و آمونیاک تبخیر شده .
ترمودینامیک شیمیایی علاوه بر این سیستمها با جامدات، فیلم های سطحی و پیلهای الکتریکی سر و کار دارد . ترمودینامیک فیزیکی علاوه بر سیستم های بالا شامل سیستم هایی نظیر سیستم تحت کشش، خازن الکتریکی، ترموکوپل و مواد مغناطیس نیز می شود .
نظریه سی. پی. اچ. و قوانین ترمودینامیک:
در اینجا قوانین ترمودینامیک را از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی می کنیم. در نظریه سی. پی. اچ قوانین ترمودینامیک و انتروپی با توجه به دستاوردهای فیزیک مدرن بطریقی بیان می شود که قانون بعدی مکمل قانون قبلی باشد:
· قانون اول ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)
تغییرات انرژی درونی برابر مجموع کار انجام شده بر روی سیستم و گرمای داده شده به آن می باشد. به عبارت دیگر اگر تغییرات انرژی درونی را با Δu ، کار انجام شده بر روی سیستم را با W و گرمای داده شده به آن را با Q نشان دهیم، خواهیم داشت:
Q+W=Δu
و یا: 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 مي کنند، یکسان است.
قانون اول ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
هر سیستمی روی خودش کار منفی انجام می دهد که مقدار آن برابر است با تابش ذاتی سیستم. برای ثابت ماندن انرژی درونی یک سیستم باید به سیستم انرژی داده شود، مقدار انرژی لازم برای ثابت نگاه داشتن انرژی درونی سیستم برابر است با کار منفی که سیستم روی خودش انجام می دهد. به عبارت دیگر اگر سیستم با توان p روی خودش کار انجام دهد، یعنی با توان P تابش کند، برای ثابت نگاه داشتن انرژی درونی سیستم باید به همین میزان به سیستم انرژی داده شود.
· قانون دوم ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)
صورت اول، بیان کلوین: فرآیندی که تنها نتیجه آن تبدیل کامل گرما به کار باشد، به هیچ وجه ممکن نیست.
صورت دوم، بیان کلازیوس: انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرمتر، بدون انجام کار، ممکن نیست.
ویا: هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل 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 دوم ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
هر فرایندی که انرژی را به کار تبدیل می کند، دارای توان منفی p است که برابر است با کاری که فرایند روی خودش انجام می دهد که موجب تابش می شود. بنابراین هیچ ماشین آرمانی که بتواند همه ی انرژی دریافتی را به کار تبدیل کند وجود ندارد. به عبارت دیگر، اگر به یک فرایند که انرژی را به کار تبدیل می کند باتوان p1 انرژی داده شود، بازدهی فرایند برابر p2 خواهد بود که از رابطه ی زیر به دست می آید:
p2= p1- p
از آنجاییکه هر سیستمی با توان p>0 روی خودش کار منفی انجام می دهد، بنابراین همواره p2< p1
· قانون سوم ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)
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.
قانون سوم ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
هر سیستمی با توان p روی خودش کار منفی انجام می دهد، طی هیچ فرایند فیزیکی وجو ندارد که بتوان p یک سیستم را صفر کرد.
انتروپی (دیدگاه کلاسیک)
انتروپی پخش شدن خود به خودی انرژی را نشان میدهد،در يک دمای خاص،چه مقدار انرژی در يک فرآيند پخش می شود يا با چه وسعتی پخش می شود. بعبارت دیگر انتروپی (S) کمیتی ترمودینامیکی است که اندازه‌ای برای درجه ی بی‌نظمی در هر سیستم است. هر چه درجه ی بی‌نظمی بالاتر باشد، انتروپی بیشتر است.
انتروپی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
انتروپی یک سیستم برابر است با کار منفی که سیستم روی خودش انجام می دهد و موجب تابش انرژی با توان p می گردد. هرچه توان سیستم در تابش بیشتر باشد، انتروپی آن نیز بیشتر است. بنابراین اگر انتروپی سیستم را با S نشان دهیم، خواهیم داشت:
به طور ساده و مختصر:
قانون اول ترمودینامیک از دیگاه نظریه CPH
هر سیستمی روی خودش کار منفی انجام می دهد که مقدار آن برابر است با تابش ذاتی سیستم. برای ثابت ماندن انرژی درونی سیستم باید به آن انرژی داده شود. که این مقدار انرژی برابر کار منفی ای است که سیستم روی خودش انجام می دهد.
قانون دوم ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی .پی .اچ :
هر فرایندی که انرژی را به کار تبدیل کند دارای توان منفی P است بنابراین هیچ ماشین آرمانی که بتواند تمام انرژي دریافتی را به کار تبدیل کند وجود ندارد.
به سیستم با توان P1 انرژی داده می شود P2=P1-P = بازدهی فرایند
قانون سوم ترمودینامیک از دیدگاه CPH
هیچ فرایند فیزیکی وجود ندارد که بتواند P یک سیستم را صفر کند.
هر سیستم با توانP بر روی خودش کار منفی انجام می دهد.
چرخه ی کارنو از دیدگاه سی. پی. اچ.
هنگامیکه چرخه ی کارنو مطرح شد، نه تنها جرم و انرژی دو کمیت مختلف بودند، حتی قانون بقای انرژی نیز عمومیت نیافته 9
بود. در حالیکه در فیزیک مدرن علاوه بر آنکه گرما نوعی انرژی محسوب می شود، انرژی نیز با ماده هم ارز است و هر ذره/جسمی را می توان با مقدار جرم یا محتوای انرژی آن مشخص کرد. لذا با تکیه بر اصول چرخه ی کارنو و فیزیک مدرن چرخه ی انرژی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. مورد بررسی قرار می گیرد. در اینجا چرخه به صورت گرما - کار - سرما نیست، بلکه به صورت کلی انرژی ورودی - ابزار - انرژی خروجی است. در چرخه کارنو، که در مقاله "تفکرات درباره ی قدرت حرکتی آتش " مورد بررسی قرار گرفت، تنها تبدیل انرژی گرمایی به کار مکانیکی مورد توجه بود. که به دلیل شرایط تاریخی و نیاز آن زمان به استفاده از ماشین بخار مطرح شد. آن زمان بحثی در مورد انرژی الکتریکی و یا تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی نبود. در قرن نوزدهم دغدغه اصلی تکنولوژی بازدهی ماشین های حرارتی بود که گرما را بکار مکانیکی تبدیل می کردند، در حالیکه امروزه بطور کلی تبدیل نوعی انرژی به نوعی دیگر و حتی انتقال انرژی از نقطه ای به نقطه دیگر مورد نظر است (مانند الکتریسیته). بنابراین در اینجا یک سیستم داریم که مقدار انرژی E1 وارد آن می شود، ابزار A انرژی ورودی را به نوع دیگری از انرژی تبدیل یا به نقطه ای دیگر منتقل می کند و انرژی خروجی برابر E2 می شود. با استفاده از اصل سی. پی. اچ. ثابت می شود، مستقل از نوع ابزار و اینکه انرژی ورودی و خروجی چه نوع انرژی باشند (حتی از یکنوع)، در هر محیط واقعی همواره E20 از سیستم به محیط منتقل می شود.
بر گرفته از مجله نفتا-انجمن علمی گروه مهندسی شیمی دانشگاه اصفهان-سال دهم-شماره ۱۴
به نام خدا