ترمودینامیک شیمیایی در علم مواد

ترمودینامیک شیمیایی در علم موادتعادل گرمایی یا حرارتی را با ذکر مثالی ساده، کمی بیشتر توضیح می‌دهیم. فرض کنید برشی از کیک تولدتان روی میز قرار دارد. دایره‌ فولادی کوچکی را روی کیک قرار می‌دهیم. نخستین سوالی که ممکن است به ذهن برسد آن است که گرما بین کیک و دایره فولادی در کدام جهت جریان دارد. گرما از جسمی با دمای بالاتر به جسمی با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود. برای پیشبرد آزمایش فرض می‌کنیم برش کیک را چند دقیقه قبل از داخل یخچال بیرون آورده‌ایم، اما دایره فولادی در محیط اتاق بوده است. بنابراین، دمای برش کیک کمتر از دایره فولادی خواهد بود. از این‌رو، گرما از دایره فولادی به برش کیک منتقل می‌شود.آیا جریان گرما از دایره فولادی به کیک تا بی‌نهایت ادامه می‌یابد؟ خیر، انتقال گرما پس از مدت زمان مشخصی متوقف می‌شود. در این زمان، دایره فولادی به اندازه کافی به کیک گرما داده است. در نتیجه، هیچ گرمای خالصی بین دایره فولادی و کیک منتقل نمی‌شود. هنگامی که هیچ گرمای خالصی بین دو جسم در تماس منتقل نمی‌شود، آن دو جسم در تعادل گرمایی با یکدیگر هستند. در قانون صفرم ترمودینامیک، جسم سومی نیز باید وارد شود. به ‌همین دلیل ظرف آبی را به سیستم دو جسمی دایره فولادی و کیک اضافه می‌کنیم و آن را در تماس با دایره فولادی قرار می‌دهیم. برای راحتی کار فرض می‌کنیم ظرف آب و دایره فولادی در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند. بنابراین، هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود.جریان گرمابه لحظه جالبی رسیدیم. کیک با دایره فولادی در تعادل گرمایی بود و هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شد. در ادامه، ظرف آب وارد داستان شد و دایره فولادی با آن نیز در تعادل گرمایی قرار داشت. آیا می‌توان نتیجه گرفت که ظرف آب با کیک در تعادل گرمایی هستند؟ بله، ظرفترمودینامیک شیمیایی یکی از شاخه‌های ترمودینامیک است که به بررسی و مطالعه ارتباط متقابل کار و گرما با واکنش‌های شیمیایی یا تغییر حالت‌های فیزیکی در محدوده قوانین ترمودینامیک می‌پردازد. هدف اصلی ترمودینامیک شیمیایی تعیین معیاری برای سنجش امکان‌پذیری یا انجام خودبه‌خودی یک فرآیند مانند واکنش شیمیایی، استحاله فازی و تشکیل محلول است. در این زمینه درک مفاهیم پایه‌ای همچون دما، گرما، و کار و توابع حالتی مانند انرژی درونی، آنتالپی، آنتروپی و انرژی آزاد اهمیتی فوق‌العاده دارد. کتاب حاضر تحت عنوان ترمودینامیک شیمیایی در علم مواد نگاهی جامع به موضوع ترمودینامیک شیمیایی دارد و سعی می‌کند پوششی کامل از مسائل پایه‌ای تا پیشرفته و از مفاهیم نظری تا کاربردهای عملی ترمودینامیک شیمیایی داشته باشد. با وجود گوناگونی و گستردگی آثار تألیفی و ترجمه‌شده موجود، کتاب حاضر دارای چندین مزیت مهم است که آن را از سایر آثار متمایز می‌کند. این کتاب تنها به بحث نظری صرف نمی‌پردازد و در اغلب مباحث پس از بیان موضوع و اثبات روابط پیچیده با ارائه چندین مثال کاربردی متنوع به خواننده کمک می‌کند که به درک دقیق‌تر و عمیق‌تری از موضوع دست یابد. بسیاری از مثال‌های حل‌شده کتاب از میان مسائل صنعتی و واکنش‌های بااهمیت شیمیایی مانند اکسیژن­زدایی از فولادها، واکنش­های احیای فلزات مهم صنعتی، واکنش‌های سرباره و ... انتخاب شده‌اند که می‌تواند برای دانشجویان مهندسی علاوه بر یادگیری موضوع، اهمیت مسائل نظری را در کاربردهای صنعتی روشن سازد. مهم‌ترین مزیت کتاب حاضر، آشناسازی مخاطب با مبحث ترمودینامیک محاسباتی و بسته‌های نرم‌افزاری شبیه‌سازی ترمودینامیکی در قالب یک فصل کامل است که کمتر کتابی در حال حاضر به آن پرداخته است. با توجه به محتوای این کتاب و سرفصل دروس دانشگاهی، به‌عنوان یک منبع درسی، کتاب حاضر می‌تواند برای درس‌های شیمی‌فیزیک و ترمودینامیک (۱) مقطع کارشناسی رشته مهندسی مواد مورد استفاده قرار بگیرد. بااین‌حال، به باور مترجمان، برخی از مباحث کتاب به‌ویژه از فصل ۷ به بعد که به تعادل شیمیایی، اکتیویته، محلول‌ها و ... می‌پردازد دانش قبلی روی موضوع را می‌طلبد و لذا دانشجویان تحصیلات تکمیلی، پژوهشگران، و مهندسان شاغل در صنعت می‌توانند بهره بیشتری از آن ببرند. آب و برش کیک در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند و هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود. در اینجا، بار دیگر به قانون صفرم ترمودینامیک سلام می‌کنیم. این قانون در جهانی که زندگی می‌کنیم به خوبی برقرار است. اکنون، جهانی را فرض کنید که در آن قانون صفر ترمودینامیک برقرار نیست. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟در جهان جدید باز هم برش کیک، ظرف آب و دایره فولادی داریم. در این جهان نیز دایره فولادی و برش کیک با یکدیگر در تعادل حرارتی قرار دارند. به طور مشابه، ظرف آب و دایره فولادی نیز در تعادل گرمایی با یکدیگر هستند و هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود. آیا ظرف آب و کیک فولادی در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند؟ خیر، در این جهان ظرف آب و کیک در تعادل گرمایی با یکدیگر نیستند. در این حالت، گرما از ظرف آب به برش کیک یا از برش کیک به ظرف آب منتقل می‌شود. این جهان، جهان خوبی برای زندگی و مطالعه فیزیک نخواهد بود، زیرا در این حالت باید تعریف جداگانه‌ای برای دما داشته باشیم و این تعریف به نوع ماده مورداستفاده وابسته است. جهانی که اکنون در آن زندگی می‌کنیم چنین رفتاری را از خود نشان نمی‌دهد. جهان ما از قانون صفرم ترمودینامیک پیروی می‌کند.این قانون به ما اجازه می‌دهد مقیاس دما را به صورت جهانی تعریف کنیم. هنگامی که دو جسم در تعادل حرارتی با یکدیگر قرار دارند، دمای آن‌ها یکسان خواهد بود. با استفاده از قانون صفرم ترمودینامیک به راحتی می‌توانیم بگوییم دمای برش کیک، دایره فولادی و ظرف آب با یکدیگر برابر هستند. با توجه به آن‌که دمای این سه جسم با یکدیگر برابر است، هر کدام از آن‌ها را انتخاب و در تماس با جسم دوم قرار دهیم، هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نخواهد شد. اگر قانون صفرم ترمودینامیک برقرار نبود، قادر به انجام این کار نبودیم. در اینجا، اهمیت این قانون مشخص می‌شود.