ترمودینامیک

[spow 44197]

مقدمه

برای ساختن وسیله‌ای برای اندازه گیری دما ، هر نوع انتخاب ماده و خاصیت دماسنجی ، همراه با رابطه مفروض بین خاصیت و دما، منجر به یک مقیاس دمایی خاص می‌شود که اندازه گیری‌های آن الزاما با اندازه گیری‌های حاصل از هر مقیاس دمایی دیگری که به صورت مستقل تعریف شده است، توافق نخواهد داشت. برای جلوگیری از این آشفتگی یک مقیاس جهانی برای درجه بندی ارائه می‌شود. در این مقیاس برای درجه بندی دماسنجی ، یک نقطه ثابت استانداردی نیاز است که در آن تمام دماسنجها دمای یکسانی را برای آن نقطه نشان دهند. به این ترتیب یک هماهنگی میان ابزارهای اندازه گیری دما حاصل می‌شود. این نقطه ثابت همان نقطه سه گانه آب است.

 

روشهای اندازه گیری دما

برای سنجش دما دو روش وجود دارد. در روش اول دو دمای از پیش تعین شده در نظر می‌گیریم و دمای مجهول را با احتساب مقادیر دماهای معلوم بدست می‌آوریم. به عنوان مثال دمای نقطه ذوب یخ را صفر درجه و دمای نقطه جوش متعارف آب را 100درجه سانتیگراد انتخاب می‌کنند و فاصله بین این دو نقطه را روی دماسنج به صد قسمت مساوی تقسیم کرده و هر کدام را یک درجه سانتی‌گراد می‌نامند. این نوع مدرج کردن دماسنجها را روش صد تقسیمی می‌گویند که اصول دماسنجی معمولی را تشکیل می‌دهد.

 

روش دوم که از سال 1954به بعد معمول شد و امروزه نیز از آن استفاده می‌شود، روش جدیدی است. در این روش پیشنهاد می‌شود که انتخاب فقط یک دمای از پیش تعریف شده تحت عنوان دمای استاندارد کافی است. این دمای منحصر به فرد که در همه جا قابل دسترسی است و البته مستقل از شرایط اقلیمی می‌باشد، دمای نقطه سه گانه آب است.

 

تعیین دمای نقطه سه گانه آب

اولین بار وسیله‌ای که برای تعیین نقطه سه گانه آب بکار رفت، ظرف شیشه‌ای u شکلی بود که در این ظرف ابتدا آبی با درجه خلوص بالا قرار داده می‌شود. سپس برای این که بخار به میزان معین در داخل ظرف تشکیل شود، آن را به یک پمپ تخلیه متصل می‌کنند. البته در غیاب پمپ نیز همیشه از طریق تبخیر سطحی ، مقداری بخار در بالای آب وجود دارد. منتها بخار غیر اشباع بوده و دارای فشار مورد نظر نمی‌باشد. وقتی هوای داخل لوله تخلیه شود، عمل تبخیر تسریع می‌شود و در مدت اندکی به میزان زیاد بخار در ظرف بوجود می‌آید.

 

این عمل تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که فشار بخار موجود در بالای آب به 612 پاسکال برسد. پس از وصول این حالت عمل تخلیه قطع می‌شود. برای این که حالت سوم یعنی یخ در ظرف بسته فوق حاصل شود، قطعات یخی در شکم ظرف تعبیه می‌کنند. پس اگر به سیستم فرصت بدهیم، بتدریج لایه نازکی از یخ در جدار داخل آن تشکیل می‌شود. پس از آن که به میزان قابل ملاحظه‌ا‌‌ی ، یخ در داخل ظرف تشکیل شد، قطعه یخ‌های بیرونی را کنار می‌گذاریم. تا زمانی که در داخل این ظرف یخ ، آب و بخار آب وجود دارد و اندازه هیچ کدام فزونی نمی‌یابد، دمای داخل ظرف طبق تعریف دمای نقطه سه گانه است.

[spow 44197]

ترمودینامیک

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

 

 

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 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.

[spow 44197]

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.

 

ارتباط ترمودینامیک با مکانیک آماری

توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعی‌تر مکانیک آماری ، یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک است. علاوه بر این ، بنیادی‌تر 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 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.

 

ترمودینامیک کلاسیک

ترمودینامیک کلاسیک شاخه‌ای از ترمودینامیک است که معمولاً سیستم‌ها را از روی خواص ماکروسکوپی آنها مورد بررسی قرار می‌دهد.

دیدگاه میکروسکوپی ترمودینامیک کلاسیک

۲۲٫۴ لیتر گاز تک اتمی را در دمای ۲۷۳ کلوین در نظر بگیرید. این گاز یک مول اتم گازی شکل داشته و دارای ‎۶٫۰۲۲×۱۰۲۳ اتم است. برای مشخص کردن حالت این گاز از دیدگاه میکروسکوپی، باید مقادیر ۳ متغیر مختصاتی فضایی و ۳ متغیر سرعتی متناظر را مشخص کنیم. بنابراین ما با ‎۳۶٫۱۳۲×۱۰۲۳ مقدار متغیر سروکار خواهیم داشت.

حتی با یک کامپیوتر نیز انجام چنین محاسباتی وقت گیر است. بنابراین این دیدگاه در ترمودینامیک کلاسیک کاربد چندانی نداشته و بجای آن از ترمودینامیک آماری که بر پایهٔ مکانیک آماری استوار است، استفاده می‌شود.

برخی از کتابها این دیدگاه را جزو ترمودینامیک آماری به حساب می‌آورند.

دیدگاه ماکروسکوپی ترمودینامیک کلاسیک

در این دیدگاه اثرات کلی یا متوسط ذرات در نظر گرفته شده و بر روی آنها بحث می‌شود. مثلاً فشار معیاری از سرعت متوسط ذرات گاز است.

ترمودینامیک آماری

ترمودینامیک آماری یکی از شاخه‌های ترمودینامیک و یکی از کاربردهای دانش آمار در مکانیک و فیزیک به شمار می‌آید. با استفاده از ترمودینامیک آماری می‌توانیم کمیت‌های گوناگون ترمودینامیکی همچون کار، حرارت، و آنتروپی را در سطح و مقیاس مولکولی شرح و تفسیر نماییم.

تاریخچه

ایده‌های اوّلیّه مربوط به نظریّۀ سینتیک گازها به اواسط سدۀ هجدهم (م) و به انتشار هیدرودینامیک (Hydrodynamica) در سال 1738 م توسط ریاضی‌دان و فیزیک‌دان سویسی برنویی (Bernoulli) باز می‌گردد. او در آنجا مطرح نمود که گازها از تعداد خیلی زیادی ذرّات بسیار ریز تشکیل شده‌اند که به هر سو در حال حرکت و رفت و آمدند. همچنین مطرح شد که ضربۀ (impact) برخورد این ذرّات بر یک سطح است که به صورت فشار ظاهر می‌شود، و نیز حرارت حاصله، ناشی از انرژی سینتیک آن ذرّات است. جالب توجّه است که همان تفسیر‌ها و برداشت‌ها هنوز هم مورد قبول و استفادۀ دانشمندان است.

نقطه سه گانه آب

نقطه سه گانه آب نقطه ثابتی است که در آن یخ ، آب و بخار آب با هم در حال تعادل قرار دارند. این حالت فقط در فشار معینی حاصل می‌شود و یگانه است. فشار بخار آب در نقطه سه گانه 4.58 میلیمتر جیوه است. دما در این نقطه استاندارد ، به دلخواه مساوی با 273.16 درجه کلوین اختیار می‌شود.