17-08-2020, 09:02 PM
در این مقاله قصد داریم تا با فرآیندهای ترمودینامیکی آشنا شویم و به طور خاص ۴ فرآیند مهم و عمومی را که غالباً در صنعت از آن‌ها استفاده می‌شود را بررسی کنیم. این چهار فرآیند عبارت هستند از:
[list]
[*]فرآیند هم حجم
[*]فرآیند هم فشار
[*]فرآیند هم دما
[*]فرآیند بی دررو یا آدیاباتیک
[/list]با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا با زبانی ساده به تشریح چهار فرآیند فوق، بپردازیم.
![[تصویر: thermo-physics.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/08/thermo-physics.jpg)
تعاریف اولیه
قبل از اینکه به سراغ فرآیندهای مذکور برویم، نیاز است به صورت مختصر با برخی از تعاریف آشنا شویم. توجه داشته باشید که در اینجا جهت دور نشدن از موضوع اصلی، تنها به ارائه تعاریف بسنده کرده‌ایم.
سیستم
به هر جسمی نظیر مایع یا گاز که تحولات گرمایی آن را مطالعه می‌کنیم، سیستم می‌گوییم. همچنین هر چیزی که در پیرامون سیستم وجود داشته باشد که با آن در حال تعامل باشد و تبادل انرژی کند، محیط نام دارد.
ترمودینامیک
کمیت‌هایی که در مقیاس‌های بزرگ حالت یک ماده یا سیستم را توصیف می‌کنند، کمیت‌های ماکروسکوپی نام دارند. مجموعه قوانینی که در فرآیندهای گرمایی، کمیت‌های ماکروسکوپی را برای یک سیستم به یکدیگر مربوط می‌کند، علم ترمودینامیک نامیده می‌شود. علم ترمودینامیک خود از دل علمی جامع‌تر به نام فیزیک و مکانیک آماری نتیجه می‌شود که به مطالعه سیستم، توسط کمیت‌های میکروسکوپی می‌پردازد. در واقع در فیزیک و مکانیک آماری، قوانین ترمودینامیکی از نگاه ریز‌تر کمیت‌های میکروسکوپی نتیجه می‌شوند.
معادله حالت
رفتار حرارتی یک سیستم توسط متغیرهای (کمیت) ترمودینامیکی توصیف می‌شود. برای یک گاز ایده‌آل، متغیرهای فشار، حجم، دما و تعداد مولکول‌های گاز (مول) برای توصیف آن استفاده می‌شوند. معادله حالت یک گاز ایده‌آل که در تعادل ترمودینامیکی است به صورت زیر است:
PV=nRT
در رابطه فوق، P
فشار سیستم (گاز)، V حجم سیستم، T دمای سیستم، n تعداد مول‌های گاز و R ثابت عمومی گاز‌ها با مقدار (8.3144jK.Mol) است. از علوم شیمی پایه به یاد داریم که تعداد مول یک گاز، نسبت جرم گاز m به جرم مولی آن M تعریف می‌شود (n=mM
). منظور از تعادل ترمودینامیکی این است که سیستم به مدت نسبتاً طولانی در یک وضعیت خاص قرار داشته باشد. مشخص است که وضعیت یک سیستم در نتیجه تعامل با محیط بیرون، می‌تواند تغییر کند. این تغییر وضعیت می‌تواند سریع، آهسته، زیاد و یا کوچک صورت گیرد.
روش یا چگونگی تغییر وضعیت حالت یک سیستم ترمودینامیکی به وضعیت جدید را فرآیند ترمودینامیکی می‌نامند. برای تحلیل فرآیندهای ترمودینامیکی، بهتر است که فرآیندها را به صورت شبه استاتیک (ایستاوار) یا غیر شبه استاتیک تقسیم‌بندی کنیم.
فرآیندهای شبه استاتیک و غیر شبه استاتیک
یک فرآیند شبه استاتیک (ایستاوار یا آرمانی) به یک فرآیند ایده‌آل اشاره دارد که در آن تغییر حالت سیستم، بسیار آرام صورت می‌گیرد. در واقع تغییر وضعیت سیستم آنقدر آرام است که در هر لحظه می‌توان سیستم را در تعادل ترمودینامیکی با خود و محیط فرض کرد.
به طور مثال فرض کنید که قصد داریم دمای 1kg
آب 20∘C را در فشار ثابت ا اتمسفر (1atm≅105Pa) به 21∘C برسانیم. اگر ظرف حاوی آب 20∘C را در حمامی بزرگ قرار داده و دمای حمام را به به صورت خیلی آهسته از 20∘C به 21∘C افزایش دهیم، توانسته‌ایم دمای آب مذکور را توسط فرآیندی شبه‌استاتیک افزایش دهیم. حال اگر ظرف آب را یکباره در حمام 21∘C
قرار دهیم، دمای آب یکباره افزایش پیدا کرده و لذا فرآیندی که طی می‌کند غیر شبه‌استاتیک است.
![[تصویر: thermodynamics-2.png]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/08/thermodynamics-2.png)
شکل (۱): نمودار فشار زمان برای دو فرآیند شبه‌استاتیک و غیر شبه‌استاتیک. اگر بتوان فرآیندی را شبه‌استاتیک فرض کرد، می‌توان سیستم درگیر در فرآیند را در هر لحظه در تعادل ترمودینامیکی فرض کرد و برای آن معادله حالت را نوشت.
جهت تحلیل راحت‌تر فرآیندهای ترمودینامیکی، فرآیندهای شبه‌استاتیک از اهمیت زیادی برخوردار هستند. چرا که این فرآیندها انقدر آهسته انجام می‌شوند که با وجود گذشت زمان، می‌توان در هر لحظه سیستم را در حال تعادل فرض کرد. تعادل ترمودینامیکی سیستم در هر لحظه از این جهت مهم است که می‌توان کمیت‌های ماکروسکوپی نظیر دما، فشار و حجم را در هر لحظه از فرآیند محاسبه کرد. بنابراین می‌توان فرآیندهای شبه استاتیک را به عنوان مسیری تعریف شده در فضای حالت سیستم نشان داد.
در طبیعت اکثر فرآیندهای ترمودینامیکی که سیستم طی می‌کند، از نوع غیر شبه‌استاتیک است. در واقع بسیاری از فرآیندها را نمی‌توان شبه‌استاتیک فرض و تحلیل کرد. شکل (1) نمونه یک فرآیند شبه استاتیک و غیر شبه استاتیک را نشان می‌دهد. از آنجایی که مزیت فرآیندهای شبه‌استاتیکی، حل و بررسی تحلیلی است، ما در ادامه این مقاله به فرآیندهای شبه‌استاتیک می‌پردازیم. فرآیند های ترمودینامیکی هم‌حجم، هم‌فشار، هم‌دما و بی‌دررو را می‌توان شبه‌استاتیک در نظر گرفت. ازقانون اول ترمو دیدیم که کاری که گاز در یک فرآیند شبه استاتیک انجام می‌دهد به صورت W=P△V
است.
برای فرآیندهای شبه‌استاتیک می‌توانیم به راحتی با مشخص کردن کمیت‌های ماکروسکوپی حجم، فشار و دما برای چند حالت مختلف، نمودار فرآیند را رسم کرد.
[list]
[*]فرآیند هم حجم
[*]فرآیند هم فشار
[*]فرآیند هم دما
[*]فرآیند بی دررو یا آدیاباتیک
[/list]با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا با زبانی ساده به تشریح چهار فرآیند فوق، بپردازیم.
تعاریف اولیه
قبل از اینکه به سراغ فرآیندهای مذکور برویم، نیاز است به صورت مختصر با برخی از تعاریف آشنا شویم. توجه داشته باشید که در اینجا جهت دور نشدن از موضوع اصلی، تنها به ارائه تعاریف بسنده کرده‌ایم.
سیستم
به هر جسمی نظیر مایع یا گاز که تحولات گرمایی آن را مطالعه می‌کنیم، سیستم می‌گوییم. همچنین هر چیزی که در پیرامون سیستم وجود داشته باشد که با آن در حال تعامل باشد و تبادل انرژی کند، محیط نام دارد.
ترمودینامیک
کمیت‌هایی که در مقیاس‌های بزرگ حالت یک ماده یا سیستم را توصیف می‌کنند، کمیت‌های ماکروسکوپی نام دارند. مجموعه قوانینی که در فرآیندهای گرمایی، کمیت‌های ماکروسکوپی را برای یک سیستم به یکدیگر مربوط می‌کند، علم ترمودینامیک نامیده می‌شود. علم ترمودینامیک خود از دل علمی جامع‌تر به نام فیزیک و مکانیک آماری نتیجه می‌شود که به مطالعه سیستم، توسط کمیت‌های میکروسکوپی می‌پردازد. در واقع در فیزیک و مکانیک آماری، قوانین ترمودینامیکی از نگاه ریز‌تر کمیت‌های میکروسکوپی نتیجه می‌شوند.
معادله حالت
رفتار حرارتی یک سیستم توسط متغیرهای (کمیت) ترمودینامیکی توصیف می‌شود. برای یک گاز ایده‌آل، متغیرهای فشار، حجم، دما و تعداد مولکول‌های گاز (مول) برای توصیف آن استفاده می‌شوند. معادله حالت یک گاز ایده‌آل که در تعادل ترمودینامیکی است به صورت زیر است:
PV=nRT
در رابطه فوق، P
فشار سیستم (گاز)، V حجم سیستم، T دمای سیستم، n تعداد مول‌های گاز و R ثابت عمومی گاز‌ها با مقدار (8.3144jK.Mol) است. از علوم شیمی پایه به یاد داریم که تعداد مول یک گاز، نسبت جرم گاز m به جرم مولی آن M تعریف می‌شود (n=mM
). منظور از تعادل ترمودینامیکی این است که سیستم به مدت نسبتاً طولانی در یک وضعیت خاص قرار داشته باشد. مشخص است که وضعیت یک سیستم در نتیجه تعامل با محیط بیرون، می‌تواند تغییر کند. این تغییر وضعیت می‌تواند سریع، آهسته، زیاد و یا کوچک صورت گیرد.
روش یا چگونگی تغییر وضعیت حالت یک سیستم ترمودینامیکی به وضعیت جدید را فرآیند ترمودینامیکی می‌نامند. برای تحلیل فرآیندهای ترمودینامیکی، بهتر است که فرآیندها را به صورت شبه استاتیک (ایستاوار) یا غیر شبه استاتیک تقسیم‌بندی کنیم.
فرآیندهای شبه استاتیک و غیر شبه استاتیک
یک فرآیند شبه استاتیک (ایستاوار یا آرمانی) به یک فرآیند ایده‌آل اشاره دارد که در آن تغییر حالت سیستم، بسیار آرام صورت می‌گیرد. در واقع تغییر وضعیت سیستم آنقدر آرام است که در هر لحظه می‌توان سیستم را در تعادل ترمودینامیکی با خود و محیط فرض کرد.
به طور مثال فرض کنید که قصد داریم دمای 1kg
آب 20∘C را در فشار ثابت ا اتمسفر (1atm≅105Pa) به 21∘C برسانیم. اگر ظرف حاوی آب 20∘C را در حمامی بزرگ قرار داده و دمای حمام را به به صورت خیلی آهسته از 20∘C به 21∘C افزایش دهیم، توانسته‌ایم دمای آب مذکور را توسط فرآیندی شبه‌استاتیک افزایش دهیم. حال اگر ظرف آب را یکباره در حمام 21∘C
قرار دهیم، دمای آب یکباره افزایش پیدا کرده و لذا فرآیندی که طی می‌کند غیر شبه‌استاتیک است.
شکل (۱): نمودار فشار زمان برای دو فرآیند شبه‌استاتیک و غیر شبه‌استاتیک. اگر بتوان فرآیندی را شبه‌استاتیک فرض کرد، می‌توان سیستم درگیر در فرآیند را در هر لحظه در تعادل ترمودینامیکی فرض کرد و برای آن معادله حالت را نوشت.جهت تحلیل راحت‌تر فرآیندهای ترمودینامیکی، فرآیندهای شبه‌استاتیک از اهمیت زیادی برخوردار هستند. چرا که این فرآیندها انقدر آهسته انجام می‌شوند که با وجود گذشت زمان، می‌توان در هر لحظه سیستم را در حال تعادل فرض کرد. تعادل ترمودینامیکی سیستم در هر لحظه از این جهت مهم است که می‌توان کمیت‌های ماکروسکوپی نظیر دما، فشار و حجم را در هر لحظه از فرآیند محاسبه کرد. بنابراین می‌توان فرآیندهای شبه استاتیک را به عنوان مسیری تعریف شده در فضای حالت سیستم نشان داد.
در طبیعت اکثر فرآیندهای ترمودینامیکی که سیستم طی می‌کند، از نوع غیر شبه‌استاتیک است. در واقع بسیاری از فرآیندها را نمی‌توان شبه‌استاتیک فرض و تحلیل کرد. شکل (1) نمونه یک فرآیند شبه استاتیک و غیر شبه استاتیک را نشان می‌دهد. از آنجایی که مزیت فرآیندهای شبه‌استاتیکی، حل و بررسی تحلیلی است، ما در ادامه این مقاله به فرآیندهای شبه‌استاتیک می‌پردازیم. فرآیند های ترمودینامیکی هم‌حجم، هم‌فشار، هم‌دما و بی‌دررو را می‌توان شبه‌استاتیک در نظر گرفت. ازقانون اول ترمو دیدیم که کاری که گاز در یک فرآیند شبه استاتیک انجام می‌دهد به صورت W=P△V
است.
برای فرآیندهای شبه‌استاتیک می‌توانیم به راحتی با مشخص کردن کمیت‌های ماکروسکوپی حجم، فشار و دما برای چند حالت مختلف، نمودار فرآیند را رسم کرد.