سرفصل های درس ترمودینامیک

نام بسته درسی : ترمودینامیک

———————————————————–

فهرست:

فصل اول–گازهاي كامل                                                                                                                        

معادله حالت يک گاز                                                                                                                                        

انرژي داخلي يک گاز                                                                                                                               

    گاز كامل                                                                                                                                      

تعيين تجربي ظرفيتهاي گرمايي                                                                                                              

    فرآيند ايستاوار بي‌در رو                                                                                                                    

    روش روخ هارت براي اندازه گيري                                                                                                     

سرعت موج طولي                                                                                                                               

دماسنجي صوتي                                                                                                                                 

ديدگاه ميکروسکوپيکي                                                                                                                        

معادله حالت يک گاز کامل                                                                                                                    

فصل دوم – ماشين، يخچال و قانون دوم ترموديناميک                                                                                 

تبديل کار به گرما، و بالعکس                                                                                                                 

    ماشين استرلينگ                                                                                                                            

    ماشين بخار                                                                                                                                  

    ماشين­هاي درون سوز                                                                                                                      

قانون دوم ترموديناميک به بيان کلوين ـ پلانک                                                                                            

يخچال                                                                                                                                            

هم ارزي بيان کلوين ـ پلانک با بيان کلاوسيوس                                                                                          

فصل سوم – آنتروپي                                                                                                                           

مفهوم انتروپي                                                                                                                                   

    انتروپي يک گاز کامل                                                                                                                        

نمودار TS                                                                                                                                    

چرخه کارنو                                                                                                                                       

    انتروپي و برگشت پذيري                                                                                                                  

    انتروپي و برگشت ناپذيري                                                                                                                  

    انتروپي و حالت­هاي عدم تعادل                                                                                                           

اصل افزايش انتروپي                                                                                                                            

    موارد استعمال اصل آنتروپي در مهندسي                                                                                                

انتروپي و انرژي دسترسي ناپذير                                                                                                              

    انتروپي و بي‌نظمي                                                                                                                           

    انتروپي و جهت؛ انتروپي مطلق                                                                                                           

جريان انتروپي و توليد انتروپي                                                                                                                 

فصل چهارم – گذارهاي فاز: ذوب، تبخير و تصعيد                                                                                      

گذار مرتبه اول                                                                                                                                    

    معادله کلاپيرون                                                                                                                             

    ذوب                                                                                                                                         

    تبخير                                                                                                                                         

    تصعيد؛ معادله کيرشهوف                                                                                                                

    ثابت فشار بخار                                                                                                                              

        اندازه­گيري فشار بخار                                                                                                                 

فصل پنجم- مكانيك آماري                                                                                                                

اصول اساسي                                                                                                                                    

توزيع تعادلي                                                                                                                                   

تابع افراز                                                                                                                                         

    تابع افراز يک گاز کامل تک اتمي                                                                                                       

تقسيم مساوي انرژي                                                                                                                          

توزيع تندي­هاي مولکولي                                                                                                                     

تعبير آماري کار و گرما                                                                                                                       

بي‌نظمي، انتروپي و اطلاعات                                                                                                                 

فصل ششم- تعادل شيميايي                                                                                                              

قانون دالتون                                                                                                                                     

غشاء نيمه تراوا                                                                                                                                

قضيه گيبس                                                                                                                                    

    انتروپي مخلوطي از گازهاي کامل بي‌اثر                                                                                               

    تابع گيبس مخلوطي از گازهاي کامل بي‌اثر                                                                                          

تعادل شیمیایی                                                                                                                                 

    توصيف ترموديناميکي حالت­هاي عدم تعادل                                                                                         

شرايط تعادل شيميايي                                                                                                                        

شرط پايداري مکانيکي                                                                                                                       

معادلات ترموديناميکي براي يک فاز                                                                                                       

پتانسيل­هاي شيميايي                                                                                                                         

    درجه واکنش                                                                                                                               

    معادله تعادل واکنش                                                                                                                       

مرور و جمع بندي                                                                                                                                      

منابع مآخذ                                                                                                                                                       

بخش هایی از بسته درسی ترمودینامیک

 معادله حالت يک گاز

گاز خوش رفتارترين ماده براي دماسنجي است زيرا نسبت فشار Pي يک گاز در هر دما به فشار ي همان گاز در نقطه سه گانه، هنگامي که  هر دو به سمت صفر ميل مي‌کنند، به مقداري نزديک مي‌شود که مستقل از ماهيت گاز است. مقدار حدي اين نسبت ضربدر K16/273 ، به عنوان دماي گاز کامل سيستم، ، که در آن فشار گاز برابر P است، تعريف شد. دليل اين رفتار منظم را مي‌توان با بررسي چگونگي وابستگي حاصلضرب PVي يک گاز به چگالي يا، اگر جرم ثابت باشد، به عکس حجم، پيدا کرد.

فرض کنيد که فشار P و حجم Vي n مول گاز واقع در هر دماي ثابت دلخواه، در گستره وسيعي از مقادير فشار اندازه­گيري شود و حاصلضرب  ، که در آن  است، به صورت تابعي از  رسم شود. امروزه، اين گونه اندازه­گيري­ها در بسياري از موسسات استاندارد و دانشگاه­ها انجام مي‌گيرند.

بيان کرد که در آن C , B , A و غيره ضرايب ويريال خوانده مي‌شوند (A اولين ضريب است، B دومين ضريب، … و غيره) و به دما و ماهيت گاز بستگي دارند. در گستره فشار از 0 تا 40 اتمسفر، رابطه بين  و  عملاً خطي است، به طوري که فقط دو جمله اول بسط داراي اهميت‌اند. عموماً هر چه گستره فشار وسيعتر باشد، تعداد جملات در بسط ويريال بيشتر خواهد بود.

ضرايب ويريال نه تنها در ترموديناميک عملي بلکه در فيزيک نظري، که اين ضرايب به ويژگي‌هاي مولکولي مربوط مي‌شوند، نيز نقش مهمي ايفا مي‌کنند. جز در دماهاي خيلي پايين، ضرايب ويريال کاملاً کوچکند، و اين موضوع در جدول 1، که در آن ضرايب ويريال در گسترة دماي 80 تا K 273 و گستره فشار 0 تا 200 اتمسفر براي ازت درج شده‌اند، نشان داده شده است. اين داده‌ها که توسط فريدمان، وايت و جانستون در آزمايشگاه ايالتي دماهاي پايين اوهايو به دست آمده‌اند.

ويژگي برجسته گازها که آنها را تا اين حد در دماسنجي ارزشمند مي‌کند در شکل 1 نمايش داده شده است. در اين شکل حاصلضرب  بر حسب P براي چهار گاز مختلف رسم شده است؛ در نمودار فوقاني، همه گازها در دماي جوش آب، در نمودار وسط همه گازها در نقطه سه گانه آب، و در نمودار تحتاني همه گازها در دماي ي جامد قرار دارند. در هر مورد، مشاهده مي‌شود که با نزديک شدن فشار به صفر، حاصلضرب  براي تمام گازهاي واقع در دماي يکسان، سوي يک مقدار مشترک ميل مي‌کند. وقتي که فشار جرم ثابتي از گاز به سوي صفر مي‌کند، حجم آن به سمت بينهايت ميل مي‌کند، و طبق بسط ويريال، حاصلضرب  به سمت اولن ضريب ويريال A ميل مي‌کند.

در ناحيه مقادير کوچک  ، عبارت سمت چپ بايد نسبت به  خطي باشد، در اين صورت B مساوي با عرض نقطه تقاطع با محور C , y مساوي با شيب است. چند منحني نمونه براي ازت در شکل 2 نشان داده شده‌اند، مي‌بينيم که نمودارها در ناحيه چگاليهاي پايين خطي هستند و محور y را در نقاطي که با مقادير B در جدول 5ـ1 توافق دارند، قطع مي‌کنند.

انرژي داخلي يک گاز

ظرفي را از نظر حرارتي عايق است و ديواره‌هاي آن صلب هستند در نظر بگيريد. اين ظرف توسط يک تيغه به دو بخش تقسيم شده است. فرض کنيد که يک قسمت پر از گاز و قسمت ديگر خالي باشد. اگر تيغه برداشته شود، گاز دستخوش فرآيندي مرسوم به انبساط آزاد خواهد شد، که در حين آن، هيچ کاري انجام نمي‌گيرد وهيچ حرارتي منتقل نمي‌شود. چون Qو W هر دو صفرند، از قانون اول نتيجه مي شود که انرژي داخلي در طي يک انبساط آزاد بدون تغيير باقي مي‌ماند. اين سئوال که آيا دماي گاز در طي يک انبساط آزاد تغيير مي‌کند يا خير، و اگر تغيير مي‌کند، مقدار اين تغيير چقدراست، توجه فيزيکدانها را به مدت بيش از صد سال به خود معطوف داشته است. کوششهاي فراواني، که شروع آنها توسط ژول در سال 1222 / 1843 بوده است، به عمل آمده‌اند تا  را که مي‌توان ضريب ژول خواند و يا کميت­هاي وابسته به آن را اندازه­گيري کنند، هر کدام از اين کميت­ها به نحوي ناشي از اثر انبساط آزاد يا، همان طور که غالباً به اين نام خوانده مي‌شود، اثر ژول مي‌باشد.

يا به عبارت ديگر، U به P بستگي ندارد. بنابراين، آشکار است که اگر هيچ تغيير دمايي در يک انبساط آزاد رخ ندهد، Uمستقل از V و P است، و لذا U فقط تابعي از  مي‌باشد.

جهت مطالعه انبساط آزاد يک گاز، ژول دو ظرف را توسط يک لوله کوتاه و يک شير به يکديگر متصل کرد و در آب فرو برد. يکي از ظروف حاوي هوا در فشار زياد بود و ديگري از هوا تخليه شده بود. دماي آب قبل و بعد از انبساط اندازه گرفته شد، با اين خيال که کاهش دماي گاز از کاهش دماي آب معلوم شود. از آنجا که ظرفيت گرمايي ظروف و آب تقريباً هزار برابر ظرفيت گرمايي هوا بود، ژول نتوانست هيچ تغيير دمايي را در آب آشکار سازد، اگرچه، طبق معلومات کنوني ما، هوا بايد دستخوش تغيير دمايي حدود چندين درجه مي‌شد.

اندازه­گيري مستقيم تغيير دماي مربوط به يک انبساط آزاد آن قدر مشکل است که به نظر مي‌آيد مي‌بايست فکر اندازه گيري دقيق  ضريب ژول را از خود در ساخت. روشهاي جديد برخورد به مسئله انرژي داخلي يک گاز، شامل اندازه­گيري کميت  از راه واداشتن گاز به يک انبساط هم­دماست که در آن، گرما منتقل مي‌شود و کار انجام مي‌گيرد.

برای مشاوره اینجا بزنید