موضوع مقاله: ترمودینامیک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ترمودینامیک | مقدمه: ترمودینامیک متغیرهای ماکروسکوپیک (همانند دما، انرژی درونی، آنتروپی و فشار) را برای توصیف حالت مواد تعریف می‌کند و چگونگی ارتباط آن‌ها و قوانین حاکم بر آن‌ها را بیان می‌نماید. | ## بخش 1: ترمودینامیک | قوانین حاکم بر ترمودینامیک را از طریق مکانیک آماری نیز می‌توان به‌دست‌آورد و تحلیل کرد. به جنبش یک یا چند مولکول «ترمودینامیک» می‌گویند، پدر چهار قانون گفته می‌شود صفرم، یکم، دوم و سوم قانون صفرم این است که اگر سامانۀ نخست با سامانۀ سوم و سامانۀ دوم هم با سامانۀ سوم در تعادل است پس سامانۀ نخست و سامانۀ دوم با یکدیگر در تعادل اند. ترمودینامیک موضوع بخش گسترده‌ای از علم و مهندسی است - همانند: موتور، گذار فاز، واکنش‌های شیمیایی، پدیده‌های انتقال و حتی سیاه چاله‌ها-. محاسبات ترمودینامیکی برای زمینه‌های فیزیک، شیمی، مهندسی نفت، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک، زیست‌شناسی یاخته، مهندسی پزشکی، دانش مواد و همچنین اقتصاد نیاز است. بیشتر بحث‌های تجربی ترمودینامیک در چهار قانون بنیادی آن بیان گردیده‌اند: قانون صفرم، یکم، دوم و سوم ترمودینامیک. این انرژی از انرژی جنبشی که ناشی از جنبش کلی سامانه و نیز از انرژی پتانسیل که سامانه نسبت به محیط پیرامونش دارد، متمایز است. قانون یکم همچنین دو شیوهٔ انتقال انرژی یک سامانه بسته را بیان می‌کند: انجام کار یا انتقال گرما. آنتروپی محدودیت‌ها - ناشی از برگشت‌ناپذیری سامانه - بر میزان کار ترمودینامیکی قابل تحویل به یک سامانۀ بیرونی طی یک فرایند ترمودینامیکی را بیان می‌کند. دما، خاصیتی که با قانون صفرم ترمودینامیک تا حدودی تبیین می‌گردد، نشان‌دهندهٔ جهت انتقال انرژی گرمایی میان دو سامانه در نزدیکی یکدیگر است. به خصوص به سبب کوشش‌های فیزیکدان فرانسوی، نیکولا لئونارد سعدی کارنو که باور داشت افزایش بازده موتورهای بخار می‌تواند رمز پیروزی فرانسه در نبردها ناپلئون باشد. فیزیکدان انگلیسی، لرد کلوین، نخستین کسی بود که در سال ۱۸۵۴ تعریفی کوتاه برای ترمودینامیک ارائه داد: «ترمودینامیک مبحثی است که ارتباط گرما با نیروهای عامل بر قطعاتِ به هم‌پیوسته‌ای که پیکر سامانه‌ها را تشکیل می‌دهند، و همچنین رابطه میان گرما با عامل الکتریسیته را بیان می‌کند.» در ابتدا ترمودینامیک ماشین‌های بخار بیشتر دربارۀ ویژگی‌های گرمایی مواد مورد کاربرد- بخار آب - بود. همچنین ترمودینامیک آماری (یا مکانیک آماری) با پیش‌بینی‌های آماری از رفتار ذرات سامانه، ترمودینامیک ماکروسکوپیک را توجیه می‌نماید. ریشه‌شناسی ترمودینامیک یا دماپویایی از سرهم‌بندی دو واژۀ یونانی θερμη به معنی گرما و δυναμις به معنی نیرو و نیز پویایی تشکیل شده به معنای نیروی گرما به وجود می‌آید.Oxford American Dictionary این علم شاخه‌ای از فیزیک و شیمی است که پدیده‌های ماکروسکوپیک که از تغییر دما، فشار و گُنج در یک سامانه فیزیکی اتفاق می‌افتد را بررسی می‌کند. مدتی بعد فیزیکدان و شیمی‌دان ایرلندی رابرت بویل شیوۀ کار دستگاه جریکو را یادگرفت و به همراه فیزیکدان انگلیسی رابرت هوک توانست نخستین پمپ هوا را در سال ۱۶۵۶ بسازد. این دو توانستند میان حجم و فشار رابطه‌ای تعریف کنند که امروزه به قانون بویل مشهور است. مفاهیم پایه برای گرمای ویژه و گرمای ویژه نهان بدست جوزف بلک در دانشگاه گلاسکو، جایی که جیمز وات به عنوان ابزار ساز کار می‌کرد آرایه شد. جیمز وات با بلک دربارهٔ افزایش بازدهی موتور بخار گفتگو کرد اما این خود وات بود که ضرورت وجود چگالنده بخار بیرونی را برای افزایش بازدهی گرمایی موتور بخار پیش‌بینی نمود. سعدی کارنو، پدر ترمودینامیک، با توجه به تمامی کارهای پیشین مقاله‌ای با نام ایده‌هایی دربارهٔ حرکت جنبشی آتش منتشر نمود. این مقاله روابط میان موتور کارنو، چرخه کارنو، و قدرت حرکتی را مورد بحث قرار می‌داد. نخستین کتاب ترمودینامیک بدست ویلیام رانکین، که فیزیک خوانده بود و به عنوان استاد مهندسی مکانیک و عمران در دانشگاه گلاسکو کار می‌کرد، در سال ۱۸۵۹ منتشر گردید. هم‌زمان قانون یکم و قانون دوم ترمودینامیک در دهه ۱۸۵۰ میلادی بر پایۀ کارهای رانکین، رودلف کلاوزیوس و ویلیام تامسون نگاشته شد. مبانی ترمودینامیک آماری بدست جیمز کلرک ماکسول، لودویگ بولتزمان، ماکس پلانک، رودلف کلاوزیوس و جوسایا ویلارد گیبس بنیان گذاشته شد. | ## بخش 2: ترمودینامیک | در میان سال‌های ۱۸۷۳ تا ۱۸۷۶ جوسایا ویلارد گیبس سه مقاله منتشر نمود که شناخته‌شده‌ترین آن‌ها تعادل مواد ناهمگون می‌باشد. گیبس همچنین نشان داد که چگونه فرایند‌های ترمودینامیکی شامل فعل و انفعالات شیمیایی را می‌توان به صورت نموداری نشان داد، او نشان داد که چگونه می‌توان روی دادن خود به خودی واکنش‌ها را از روی انرژی، آنتروپی، حجم، پتانسیل شیمیایی، دما و فشار در سامانه‌های ترمودینامیکی پیش‌بینی نمود. ترمودینامیک شیمیایی بعدتر بدست پیر دوهام، گیلبرت لوویس، مرل لاندل و ادوارد گوگنهایم گسترش بیشتر یافت. شاخه‌های ترمودینامیک علم ترمودینامیک به بررسی سامانه‌های فیزیکی بر پایۀ تئوری‌ها و قوانین ترمودینامیک می‌پردازد. بسته به مبانی نخستین به کار رفته علم ترمودینامیک به شاخه‌های مختلف بخش‌بندی شده‌است. ترمودینامیک کلاسیک پایۀ ترمودینامیک کلاسیک بر تبادل انرژی در فرایندی در درون چرخه می‌باشد، تبادل انرژی میان سامانه‌های بسته تنها با در نظر گرفتن تعادل ترمودینامیکی آن‌ها می‌باشد. ترمودینامیک آماری ترمودینامیک آماری، یا مکانیک آماری، در نیمه دوم سدۀ نوزدهم و نیمۀ نخست سدۀ بیستم با پیشرفت و شناسایی تئوری‌های مولکولی و اتمی بنیان نهاده شد. ترمودینامیک آماری واکنش‌های میان مولکولی و همچنین حرکت گروهی مولکول‌ها را بیان می‌کند. پس به‌طور چکیده داریم: سامانه: کمیتی از ماده با ناحیه‌ای از/در فضا است که برای بررسی برگزیده می‌شود. (مرز سامانه ضخامت صفر دارد - نه جرمی دارد و نه حجمی) سامانۀ بسته (جرم کنترل):از جرم ثابتی تشکیل شده است و هیچ جرمی نمی‌تواند از مرز آن بگذرد. سامانۀ باز (حجم کنترل):جرم و انرژی از مرز حجم کنترل می‌گذرند و بیشتر دارای دستگاهی است که با جریان جرم سرو کار دارد. +انواع انتقال مجاز+در فرایندهای ترمودینامیکی+برای انواع محیطهاانواع محیطهاقابلیت انتقالجرم و انرژِیکارگرماتبادل مادهتبادل انرژی بدون تبادل ماده بی دررو adynamic بدون تبادل ماده ایزوله ویژگی‌های سامانه ویژگی: هر یک از شناسه‌های سامانه را ویژگی یا خاصیت می‌گویند. مهم‌ترین ویژگی‌ها عبارتند از: دما، فشار، حجم و جرم ویژگی‌های شدتی (Intensive): اندازۀ آن به اندازه یا مقدار سامانه بستگی ندارد. مانند دما، فشار، چگالی، حجم ویژه، انرژی درونی ویژه، آنتالپی ویژه، رنگ و … ویژگی‌های گسترده (Extensive): اندازۀ آن به اندازه یا مقدار سامانه بستگی دارد. مانند جرم، حجم، انرژی درونی، انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی، آنتالپی، آنتروپی و … اگر یک ویژگی گسترده بر جرم تقسیم شود به یک ویژگی شدتی تبدیل می‌شود. چگالی: نسبت جرم به حجم ← ρ=m/v چگالی مخصوص(گرانی ویژه): به حاصل تقسیم چگالی ماده بر چگالی مبنا گفته می‌شود. آنتالپی: اندازۀ کل انرژی درون سامانه شامل انرژی درونی به همراه پتانسیل ترمودینامیکی سامانه را نشان می‌دهد. انرژی آزاد گیبس: کمیتی است که احتمال انجام خود به خودی واکنش ترمودینامیکی را نشان می‌دهد. انرژی آزاد هلمهولتز: اندازۀ کار مفید قابل دستیابی در حین فرایند دما ثابت و حجم ثابت می‌باشد. ضریب انبساط گرمایی: به میزان انبساط یکای طول در اثر افزایش دما به میزان واحد گفته می‌شود. ظرفیت گرمایی: به میزان افزایش دمای واحد حجم در اثر تبادل گرما به اندازه واحد گفته می‌شود. حالت و تعادل حالت: به وضعیت یک سامانه گفته می‌شود که آن سامانه را یکتا می‌کند و سامانه به واسطه آن حالت دارای ویژگی‌هایی می‌شود. | ## بخش 3: ترمودینامیک | تعادل:هر گاه نیروی محرکه خاصی در سامانه وجود نداشته باشد، آن سامانه به تعادل خاصی رسیده است. اصل متعارفی حالت:حالت یک سامانه بسته ساده تراکم‌پذیر به وسیله دو خاصیت شدتی مستقل ازهم مشخص می‌شود. مسیر فرایند:مجموعه حالت‌هایی که سامانه در ضمن یک فرایند از آن‌ها می‌گذرد مسیر فرایند نام دارد. برای توصیف هر فرایند، باید حالت‌های آغازین و پایانی فرایند، مسیر فرایند و برهمکنش‌ها را با اطراف مشخص کنیم. فرایند برگشت‌ناپذیر:به فرایندی گفته می‌شود که پس از کامل شدن آن، سامانه و محیط اطراف آن نتواند به حالت نخستین خود برگردد. فرایند برگشت‌پذیر:به فرایندی گفته می‌شود که پس از کامل شدن آن، سامانه و محیط اطراف می‌توانند به حال نخستین خود برگردند. این یک فرایند آرمانی است که برای تعیین بازده بیشینه(ماکزیمم) یک فرایند به کار می‌رود. فرایند شبه تعادلی به عنوان استانداردهایی هستند که فرایندهای واقعی رامی توان با آن‌ها مقایسه کرد. دسته‌بندی دیگر فرایندها به صورت زیر است: SSSF:تحت یک فرایند جریان پایا، جرم و انرژی یک حجم کنترل ثابت می‌ماند. چرخه:چنانچه سامانه پس از پیمودن چندین فرایند به حالت تعادل نخستین برگردد، مجموعه این فرایندها را چرخه یا سیکل می‌نامند. قوانین ترمودینامیک قانون صفرم ترمودینامیک قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سامانه با سامانۀ سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر همدما می‌باشند. برای نمونه اگر جسم a با جسم b درتعادل گرمایی باشند و جسم b با جسم c درتعادل گرمایی باشند جسم a و c در تعادل گرمایی می‌باشند. پایۀ ساخت دماسنج قانون صفرم ترمودینامیک می‌باشد به این صورت که هوای محیط با شیشهٔ دماسنج در تعادل گرمایی است و شیشه دماسنج نیز با جیوه در تعادل گرمایی است در نتیجه برپایۀ قانون صفرم ترمودینامیک هوا با جیوه نیز در تعادل می‌باشد. قانون یکم ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید: تغییر انرژی درونی یک سامانه برابر است با مجموع گرمای داده شده به سامانه و کار انجام شده بر آن: قانون دوم ترمودینامیک ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال پی‌در‌پی گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، نشدنی است. بیان کلوین-پلانک: نشدنی است وسیله‌ای بسازیم که در یک چرخه عمل کند و در عین حال تنها با یک مخزن تبادل گرما داشته باشد یعنی نشدنی است یک موتور گرمایی بدون از دست دادن گرما در Qc به کار خود ادامه دهد. بیان کلازیوس:امکان ندارد که یک یخچال در یک چرخه، همۀ انرژی را که از منبع سرد دریافت می‌کند به منبع گرم انتقال دهد؛ یعنی نمی‌توان یخچالی ساخت که بدون کار ورودی عمل کند. قانون سوم ترمودینامیک قانون سوم ترمودینامیک بیان می‌کند هنگامی که انرژی یک سامانه به حداقل مقدار خود می‌گراید، آنتروپی System به اندازۀ قابل چشم‌پوشی می‌رسد. یا به‌طور نمادین: هنگامی که ، پتانسیل‌های ترمودینامیکی پتانسیل‌های ترمودینامیکی، متغیرهای اسکالری می‌باشند که برای ارزیابی انرژی ذخیره شده در سامانه استفاده می‌شوند. پتانسیل‌ها برای اندازه‌گیری تغییرات انرژی هنگامی که از حالت نخستین به حالت پایانی استفاده می‌شوند. از پتانسیل‌های مختلف با توجه به متغیرهای محدودکننده در سامانه همانند فشار و حجم استفاده می‌شود. برای نمونه هر دو پتانسیل گیبز و هلمهولتز به عنوان انرژی قابل‌دسترس برای انجام کار مفید شناخته می‌شوند هنگامی که به ترتیب فشار و دما یا حجم و دما در سامانه ثابت نگه داشته شوند. | ## جمع‌بندی | پنج پتانسیل مهم در ترمودینامیک به صورت جدول زیر شناخته شده‌اند: در جدول بالا فشار، حجم، دما و آنتروپی می‌باشد.