سرفصل های درس خواص ترمودینامیک مواد

نام بسته درسی : خواص ترمودینامیک مواد

———————————

فهرست:

فصل اول : قانون اول ترمودینامیک

فصل دوم : قانون دوم ترمودینامیک

فصل سوم : تعبیر آماری آنتروپی و توابع ترمودینامیک

فصل چهارم : ظرفیت گرمایی ، آنتروپی و قانون سوم ترمودینامیک

فصل پنجم : تعادل فازی در سیستم یک جزئی و قانون کلارنویس – کلاپرون

فصل ششم : رفتار گازها

فصل هفتم : بررسی شرایط تعادل واکنش ها

فصل هشتم : رفتار محلول ها

فصل نهم : دیاگرامهای فازی در سیستم های دوتایی و حالات استاندارد.

فصل دهم : الکتروشیمی

بخش هایی از بسته درسی خواص ترمودینامیک مواد

فصل اول : قانون اول ترمودینامیک

تعریف مفاهیم کلی ترمودینامیکی

سیستم (sys) : مجموعه یا ماده مورد مطالعه و بررسی در ترمودیناک را سیستم می نامند .

محیط ( env ) : هر چیزی غیر از سیستم همان محیط می باشد.

جهان یا کل (uni) : به مجموعه سیستم و محیط جهان کل اطلاق می شود.

انواع سیستم

برحسب انتقال جرم و انرژی ، سیستم ها را به سه دسته زیر طبقه بندی می نمایند.

• سیستم ایزوله : به سیستمی اطلاق می شود که با محیط نه مبادله جرم و نه مبادله انرژی دارد.
• سیستم باز : به سیستمی اطلاق می شود که با محیط هم مبادله جرم و هم مبادله انرژی دارد.
• سیستم بسته : به سیستمی اطلاق می شود که با محیط مبادله جرم ندارد ولی ومبادله انرژی دارد.

نکته : در ترمودیناک معمولا با سیستم های بسته سر و کار داریم و ویژگی این سیستم ها این است که مقدار و جرم انها مشخص می باشد .

حالت (State) : حالت سیستم در واقع وضعیت سیستم را  مشخص می نماید.

مشخص کردن حالت سیستم از دو طریق امکان پذیر می باشد :

• تعیین حالت میکروسکپی سیستم

تعیین حالت میکروسکپی سیستم نیاز به اطلاعاتی نظیر جرم ، سرعت ، موقعیت و تمام روش های حرکتی ذرات سازنده سیستم دارد که طبعا دستیابی به تمام این اطلاعات در مورد اجزای سازنده یک سیستم عملا دشوار می باشد.

• تعیین حالت ماکروسکپی سیستم

در صورت بسته بودن سیستم برای تعیین حالت ماکروسکپی سیستم ، می توان تعیین و مشخص کردن تنها دو پارامتر یا خصوصیت از سیستم ، سایر خصوصیات سیستم را تعیین نمود . این دو پارامتر به عنوان متغیرهای مستقل سیستم و سایر خصوصیات سیستم ، متغیر های وابسته ( غیر مستقل ) نامیده می شوند.

نکته : حالت ماکروسکپی هر سیستم ، با داشتن جرم سیستم و حداقل دو متغیر مستقل ترمودینامیکی ( دما ، فشار یا حجم ) تعریف می شود . در صورتیکه سیستم بسته باشد ، دانستن همان دو متغیر مستقل کافی می باشد.

به عنوان مثال اگر فشار (P)  و دما ( T) به عنوان متغیر های مستقل انتخاب گردند، در اینصورت حجم (V) متغیر وابسته ( غیر مستقل ) خواهد بود. به عبارت دیگر تغییرات حجم وابسته به تغییرات T.P می شود.  و در این صورت خواهیم داشت :

V=f(T,P)

معادله رو به رو معادله حالت خوانده می شود.

نکته : انتخاب متغیر های مستقل معمولا بر اساس سهولت اندازه گیری متغیرها می باشد .

نکته : حالت ترمودینامیکی ماده با ثابت نگه داشتن دوپارامتر مستقل ثابت می ماند

نکته : هر گاه سیستمی پس از گذشتن از حالت های مختلف ، سر انجام به حالت اولیه خود بازگردد ، در اینصورت می گویند سیستم یک مدار یا چرخه را طی کرده است .

تابع حالت :

مقدار تابع حالت فقط به ابتدا و انحتای مسیر ارتباط دارد و به نوع ارتباطی ندارد. ( مانند تابع انرژی داخلی U ) یعنی تغییر تابع حالت از نقطه A  تا B در دو مسیر مختلف 1 یا 2 کاملا یکسان می باشد.

نکته : انتگرال سیکلی این توابع برابر صفر می باشد.

نکته : این نوع توابع دارای دیفرانسیل کامل می باشند .

متغیر های ترمودینامیکی

• دما (T)
• فشار (P)
• حجم (V)

هر یک از این متغیر ها می تواند به نسبت به دو متغیر دیگر هم حکم متغیر وابسته را بازی کند یعنی

نکته : ترکیب شیمیایی (C) یک متغیر ترمودینامیکی می باشد که بصورت تک جزئی و یا چند جزئی می باشد . در سیستم های بیش از یک جز که اتفاقا در مباحث متالوژی از اهمیت زیادی برخوردارند ( به عنوان مثال در آلیاژها)  ، علاوه بر 3 متغیر P . V. T ، ترکیب شیمیایی نیز به عنوان یک متغیر اهمیت خواهد داشت . مثالا در یک سیستم n جزئی ، ( n-1) متغیر در کنار سه متغیر P . V. T خواهد بود .

تابع یا کمیت ترمودینامیکی :

قراردادهایی که وضع شده تا مطالعات ترمودینامیکی ساده تر شوند مانند ، آنتالپی ، انتروپی و … کمیت های ترمودینامیکی به دو دسته تقسیم می شوند :

• کمیت غیر مقداری ( متمرکز ) ( کیفی ) intensive

ابعاد سیستم یعنی برزرگی و کوچکی سیستم نقشی در تعداد کمیت فوق ندارد .

به عنوان مثال فشار (p) دما (T) و چگالی (P) از کمیت های متمرکز یا غیر مقداری به حساب می آیند زیرا به بزرگی و کوچکی سیستم بستگی ندارند.

نکته : پتانسیل شیمیایی اجزای سیستم نیز از کیمیت های متمرکز یا غیر مقداری یکی سیستم به حساب می آید.

• کمیت های مقداری ( فراگیر ) Extensive

کمیت هایی از سیستم را نشان می دهد که مقدار آن به اندازه سیستم بستگی دارد به عنوان مثال جرم (m) ، حجم (V)

نکته : برای تبدیل یک کمیت فراگیر مانند حجم v  (m³) به یک کمیت متمرکز مانند حجم مولی (m³/mol) باید آن را برای تعداد مولهای سازنده سیستم تقسیم نمود .

G’=فراگیر

G=متمرکز

توابع مسیر

مقدار این نوع توابع به نوع مسیر طی شده ارتباط دارد. در هر مسیر ، مقدار تغییر تابع برابر با سطح زیر منحنی می باشد.

نکته : میزان تغییر یکی تابع مسیر طی یکی مدار بسته برابر با سطح داخلی منحنی می باشد.

سطح داخلی منحنی

نکته : هر گاه جهت تحویل گاز در یک سیکل در جهت عقربه ساعت باشد علامت تابع مثبت در غیر این صورت علامت آن منفی است .

نکته : سطح داخلی منحی برای سیکل محاسبه می گردد. اگر تعداد سیکل بیشتری انجام شود باید مقدار تابع در تعداد سیکل ها ضرب شود .

انواع گاز ها

گازها بر دو نوع حقیقی و ایده آل ( کامل ) تقسیم می شوند. در نوع ایده آل از وزن ذرات تشکیل دهنده گاز و نیروهای بین ذرات صرفنظر می شود. گازهای حقیقی در دماهای نسبتا بالا و فشارهای نسبتا پایین رفتار ایده آل از خود نشان می دهند.

تجربه نشان داده است که برای کلیه گازها اگر آنگاه [R. ثابت جهانی گازها] بنابراین سختی های ایزوتروم P-V تصورت هذلولی بوده و از معادله زیر تبعیت می نمایند.

معادله حالت گاز ایده آل                                                                                             PV=RT

اگر گازی در محدود ای از قانون PV=RT تبعیت نماید ، گفته می شود که رفتار ایده آل دارد اگر گازی در تمام حالات این چنین باشد گفته می شود یک گاز کامل است .

T₁>T₂>T_cr>T₃>T₄

با کاهش دما در یک دما ، فشار و حجم بحرانی (cr) یک نقطه عطف داریم که زیر آن دو فاز مایع + بخار وجود دارد.

برای مشاوره اینجا بزنید