ترمودینامیک (به انگلیسی: Thermodynamics) شاخه ای از علوم طبیعی است که به بحث راجع به گرما و نسبت آن با انرژی و کار می پردازد. ترمودینامیک متغیرهای ماکروسکوپیک ( همانند دما، انرژی داخلی، آنتروپی و فشار ) را برای توصیف حالت مواد تعریف و چگونگی ارتباط آن ها و قوانین حاکم بر آن ها را بیان می نماید. ترمودینامیک رفتار میانگینی از تعداد زیادی از ذرات میکروسکوپیک را بیان می کند. فوانین حاکم بر ترمودینامیک را از طریق مکانیک آماری نیز می توان بدست آورد.
ترمودینامیک موضوع بخش گسترده ای از علم و مهندسی است - همانند : موتور، گذار فاز، واکنش های شیمیایی، پدیده های انتقال و حتی سیاه چاله ها- . محاسبات ترمودینامیکی برای زمینه های فیزیک، شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک، زیست شناسی یاخته، مهندسی پزشکی، دانش مواد و حتی اقتصاد لازم است.
عمده مباحث تجربی ترمودینامیک در چهار قانون بنیادی آن بیان گردیده اند: قانون صفرم، اول، دوم و سوم ترمودینامیک. قانون اول وجود خاصیتی از سیستم ترمودینامیکی به نام انرژی داخلی را بیان می کند. این انرژی از انرژی جنبشی که ناشی از حرکت کلی سیستم و انرژی پتانسیل که سیستم نسبت به محیط پیرامونش دارد، متمایز است. قانون اول همچنین دو شیوه انتقال انرژی یک سیستم بسته را بیان میکند : انجام کار یا انتقال حرارت. قانون دوم به دو خاصیت سیستم، دما و آنتروپی، مربوط است. آنتروپی محدودیت ها - ناشی از برگشت ناپذیری سیستم - بر میزان کار ترمودینامیکی قابل تحویل به یک سیستم بیرونی طی یک فرایند ترمودینامیکی را بیان می کند. دما، خاصیتی که با قانون صفرم ترمودینامیک تا حدودی تبیین می گردد، نشان دهنده ی جهت انتقال انرژی حرارتی بین دو سیستم در نزدیکی یکدیگر است. این خاصیت همچنین به صورت کیفی با واژه های داغ یا سرد بیان می گردد.
از دیدگاه تاریخی ترمودینامیک با آرزوی افزایش بازده موتورهای بخار گسترش یافت. به ویژه به سبب تلاش های فیزیکدان فرانسوی، نیکولا لئونارد سعدی کارنو که اعتقاد داشت افزایش بازده موتورهای بخار می تواند 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 عنوان مبحثی است که روابط حاکم بر ارتباط حرارت با نیروهای وارد بر یک پیکر پیوسته و همچنین رابطه بین حرارت با الکتریسیته را بیان می کند. »
در ابتدا ترمودینامیک ماشین های بخار به صورت عمده راجع به خصوصیات گرمایی مواد مورد کاربرد- بخار آب - بود. بعدها این مبحث به فرایندهای انتقال انرژی در واکنش های شیمیایی مرتبط گردید. ترمودینامیک شیمیایی اثر آنتروپی بر فرایندهای شیمیایی را مورد بحث قرار می دهد. همچنین ترمودینامیک آماری ( یا مکانیک آماری ) با پیش بینی های آماری از رفتار ذرات سیستم، ترمودینامیک ماکروسکوپیک را توجیه می نماید.
محتویات
۱ ریشه شناسی واژه
۲ تاریخچه
۳ شاخه های ترمودینامیک
۳.۱ ترمودینامیک کلاسیک
۳.۲ ترمودینامیک آماری
۴ مفهوم سیستم
۵ خواص سیستم
۶ حالت و تعادل
۷ فرایندها
۸ قوانین ترمودینامیک
۸.۱ قانون صفرم ترمودینامیک
۸.۲ قانون اول ترمودینامیک
۸.۳ قانون دوم ترمودینامیک
۸.۴ قانون سوم ترمودینامیک
۹ پتانسیل های ترمودینامیکی
۱۰ جستارهای وابسته
۱۱ منبع مطالعه
۱۲ منابع
ریشه شناسی واژه
ترمودینامیک (ریشهٔ یونانی دارد و از دو بخش θερμη به معنی گرما و δυναμις به معنی نیرو تشکیل شده که از سرهم بندیشان میشود نیروی گرما[۱]) شاخه‌ای از فیزیک و شیمی است که پدیده‌های ماکروسکوپیک که از تغییر دما، فشار و حجم در یک سیستم فیزیکی اتفاق می‌افتد بررسی میکند.[۲][۳]
تاریخچه
نوشتار اصلی: تاریخچه ترمودینامیک
سعدی کارنو (۱۷۹۶ - ۱۸۳۲): پدر ترمودینامیک
شروع ترمودینامیک از ساخت اولین پمپ خلأ در سال ۱۶۵۰ میلادی و توسط اتو وان گریکه (به انگلیسی: Otto von Guericke) شروع شد و ثابت کرد که نظریه ارسطو مبنی بر اینکه طبیعت از خلا متنفر است، اشتباه است.مدتی بعد فیزیکدان و شیمی‌دان ایرلندی رابرت بویل طرز کار دستگاه جریکو را یاد گرفت و به همراه فیزیکدان انگلیسی رابرت هوک توانست اولین پمپ هوا را در سال ۱۶۵۶ بسازد.[۴] و بین حجم و فشار رابطه‌ای تعریف کردند، که امروزه به قانون بویل مشهور است. سپس در سال ۱۶۷۹ شریک بویل دنیس پاپین اولین steam digester را ساخت که یک ظرف دربسته با در محکم بود که در آن بخار با فشار بالا تولید میشد.
مفاهیم پایه برای گرمای ویژه و گرمای ویژه نهان توسط جوزف بلک در دانشگاه گلاسکو، جایی که جیمز وات به عنوان ابزار ساز کار می کرد ارایه شد. جیمز وات با بلک در باره افزایش بازدهی موتور بخار مشورت کرد اما این خود وات بود که ضرورت وجود چگالنده بخار خارجی را برای افزایش بازدهی گرمایی موتور بخار پیشبینی نمود. سعدی کارنو، پدر ترمودینامیک، با توجه به تمامی کارهای قبلی مقاله ای با عنوان ایده هایی در باره حرکت جنبشی آتش منتشر نمود سراآغازی بر علم ترمودینامیک نوین شد.
نخستین کتاب ترمودینامیک توسط ویلیام رانکین در سال ۱۸۵۹ منتشر گردید. همزمان قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک در دهه ۱۸۵۰ میلادی توسط رانکین، رودلف کلاوزیوس و ویلیام تامسون نگاشته شد.
مبانی ترمودینامیک آماری توسط جیمز کلرک ماکسول، لودویگ بولتزمان، ماکس پلانک، رودلف کلاوزیوس و جوسایا ویلارد گیبس بنیان گذاشته شد. در بین سالهای ۱۸۷۳ تا ۱۸۷۶ جوسایا ویلارد گیبس سه مقاله منتشر نمود که مشهور ترین آنها تعادل مواد ناهمگون می باشد. گیبس همچنین نشان داد که چگونه پروسه های ترمودینامیکی شامل فعل و انفعالات شیمیایی را می توان بصورت نموداری نشان داد، او نشان داد که چگونه می توان روی دادن خود به خودی واکنش ها را از روی انرژی، انتروپی، حجم، پتانسیل شیمیایی، دما و فشار در سیستم های ترمودینامیکی پیشبینی نمود. ترمودینامیک شیمیایی بعد تر توسط پیر دوهام، گیلبرت لوویس، مرل لاندل و ادوارد گوگنهایم توسعه بیشتر یافت.
شاخه های ترمودینامیک
علم ترمودینامیک به بررسی سیستم های فیزیکی بر اساس تئوری ها و قوانین ترمودینامیک می پردازد. بسته به مبانی اولیه به کار رفته علم ترمودینامیک به شاخه های مختلف تقسیم شده است.
ترمودینامیک کلاسیک
مبنای ترمودینامیک کلاسیک برا اساس تبادل انرژی در فرایندی در درون چرخه می باشد، تبادل انرژی مابین سیستم های بسته تنها با در نظر گرفتن تعادل ترمودینامیکی آنها می باشد. همچنین شناسایی کار و گرما به عنوان انرژی در ترمودینامیک کلاسیک ضروری می باشد.
ترمودینامیک آماری
ترمودینامیک آماری، یا مکانیک آماری، در نیمه دوم قرن نوزدهم و نیمه اول قرن بیستم با پیشرفت و شناسایی تئوری های مولکولی و اتمی بنیان نهاده شد. این علم توضیحات و ادله برای قوانین ترمودینامیک کلاسیک بیان می کند. ترمودینامیک آماری واکنش های بین مولکولی و همچنین حرکت دسته جمعی مولکول ها بیان می کند.
مفهوم سیستم
شماتیک سیستم، محیط و مرز.
یکی از مفاهیم اصلی در ترمودینامیک سیستم می باشد . سیستم ناحیه ای از فضا است که برای بررسی انتخاب می شود. به هر آنچه که خارج از این سیستم وجود دارد محیط گفته می شود. سیستم بوسیله مرزی از محیط جدا می شود. این مرز می تواند مرزی واقعی یا مجازی باشد. سیستم میتواند از طریق این مرز انرژی و جرم با مبادله نماید.پس به طور خلاصه داریم :
سیستم: کمیتی از ماده با ناحیه ای از در فضا است که برای بررسی انتخاب می شود.
محیط (اطراف): جرم یا ناحیه خارج از سیستم را محیط می گویند.
مرز: سطح حقیقی یا مجازی که سیستم را از اطرافش جدا می کند مرز گویند.(مرز سیستم ضخامت صفر دارد - نه جرمی دارد و نه حجمی )
سیستم بسته ( جرم کنترل ):از جرم ثابتی تشکیل شده است و هیچ جرمی نمی‌تواند از مرز آن عبور کند . اما انرژی به شکل گرما یا کار می تواند از مرز سیستم عبور کند .
سیستم منزوی: سیستمی بسته ای است که انرژی هم از مرزها عبور نمی‌کند.
سیستم باز ( حجم کنترل ):جرم وانرژی از مرز حجم کنترل عبور می کند و اغلب شامل دستگاهی است که با جریان جرم سرو کار دارد .به مرز حجم کنترل سطح کنترل گفته می شود.
خواص سیستم
خاصیت : هر یک از مشخصه های سیستم را خاصیت می گویند. مهمترین خواص عبارتن از: دما، فشار، حجم و جرم
خواص شدتی (Intensive) : مقدار آنه به اندازه یا مقدار سیسستم بستگی ندارد. مانند دما ، فشار، چگالی، حجم ویژه، انرژی درونی ویژه ، آنتالپی ویژه و ...
خواص گسترده (Extensive) : مقدار آنه به اندازه یا مقدار سیسستم بستگی دارد. مانند جرم، حجم، انرژی درونی، انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی، آنتالپی، آنتروپی و ...
اگر یک خاصیت گسترده بر جرم تقسیم شود به یک خاصیت شدتی تبدیل می شود . بطور مثال حجم مخصوص
فشار: نیروی است که بر مساحت واحد سیالی اعمال می باشد.
دما:معیاری برای گرما و سرما است.
حجم: بیانگر میزان فضای اشغال شده می باشد.
چگالی : نسبت جرم به حجم ← ρ=m/v
چگالی مخصوص : به حاصل تقسیم چگالی ماده بر چگالی مبنا گفته میشود.
حجم مخصوص : به معکوس چگالی گفته می شود.← ν=1/ρ
وزن مخصوص : وزن حجم واحد یک ماده را وزن مخصوص می گویند.← ɣ=ρg
انتروپی: کمیتی است که بیانگر میزان آشفتگی یا بی نظمی است.
آنتالپی: مقدار کل انرژی درون سیستم شامل انرژی درونی به همراه پتانسیل ترمودینامیکی سیستم را نشان می دهد.
انرژی آزاد گیبس: کمیتی است که احتمال انجام خود به خودی واکنش ترمودینامیکی را نشان می دهد.
انرژی آزاد هلمهولتز: مقدار کار مفید قابل دستیابی در حین پروسه دما ثابت و حجم ثابت می باشد.
انرژی درونی: مقدار کل انرژی داخل سیستم را نشان می دهد.
ضریب انبساط حرارتی: به میزان انبساط واحد طول در اثر افزایش دما به میزان واحد گفته می شود.
ظرفیت گرمایی: به میزان افزایش دمای واحد حجم در اثر تبادل گرما به اندازه واحد گفته می شود.
حالت و تعادل
حالت: به وضعیت یک سیستم اطلاق می گردد که آن سیستم را منحصر به فرد می کند و سیستم به واسطه آن حالت درای خواصی می شود.
تعادل:هر گاه نیروی محرکه خاصی در سیستم وجود نداشته باشد، آن سیستم به تعادل خاصی رسیده است. تعادل شامل انواع گرمایی ، مکانیکی ، فازی و شیمیایی است.
اصل متعارفی حالت:حالت یک سیستم بسته ساده تراکم پذیر به وسیله دوخاصیت شدتی مستقل ازهم مشخص می شود.
فرایندها
فرایند:هرگونه تغییر از یک حالت تعادلی به حالت دیگر را فرایند می گویند.
مسیر فرایند:مجموعه حالت هایی که سیستم در ضمن یک فرایند از آنه می گذرد مسیر فرایند نام دارد .
برای توصیف هر فرایند، باید حاتهای ابتدایی و انتهایی فرایند، مسیر فرایند و برهمنکنش ها را با اطراف مشخص کنیم .فرایند ها به دو نوع عمده برگشت پذیر و برگشت ناپذیر تقسیم می شوند.
فرایند برگشت ناپذیر:به فرایندی گفته می شود که پس از کامل شدن آن، سیستم و محیط اطراف آن نتواند به حالت اولیه خود برگردد.
فرایند برگشت پذیر:به فرایندی گفته می شود که پس از کامل شدن آن، سیستم و محیط اطراف قابل برگشت به حالت اولیه خود هستند.این یک فرایند ایده‌آل است که برای تعیین بازده ماکزیمم یک فرایند به کار می رود.
فرایند کمیت ثابت نگه داشته شده
هم فشار (isobaric) فشار
هم دما (isothermal) دما
هم حجم (isochoric) حجم
هم آنتروپی (isentropic) آنتروپی
فرایند شبه تعادلی:وقتی فرایند به گونه ای پیش می رود که سیستم همیشه بی نهایت به حالت تعادلی نزدیک است ، آن را فرایند شبه استاتیکی یا فرایند شبه تعادلی می گویند.فرایند شبه تعادلی به عنوان استاندارد هایی هستند که فرایندهای واقعی رامی توان باآنها مقایسه کرد.
دسته بندی دیگر فرایندها بصورت زیر است :
SSSF:تحت یک فرایند جریان پایا، جرم وانرژی یک حجم کنترل ثابت باقی می ماند.
USUF: فرایند حالت یکنواخت و جریان یکنواخت می باشد.
سیکل:چنانچه سیستم پس از طی چندین فرایند به حالت تعادل اولیه برکردد، مجموعه این فرایندها را چرخه یا سیکل می نامند.
قوانین ترمودینامیک
قانون صفرم ترمودینامیک
قانون صفرم ترمودینامیک بیان میکند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر همدما می باشند. به طور مثال اگر جسم a باجسم b درتعال گرمایی باشد وجسم b باجسم c درتعادل گرمایی باشد می توان گفت جسم a و c در تعادل گرمایی می باشد. اساس ساخت دمانسج قانون صفرم ترمودینامیک می باشد به این صورت که هوای محیط باشیشه ی دماسنج در تعادل حرارتی است وشیشه دماسنج نیز با جیوه در تعادل حرارتی است در نتیجه طبق قانون صفرم ترمودینامیک هوا با جیوه نیز در تعادل می باشد.
قانون اول ترمودینامیک
انرژی درونی یک سیستم منزوی ثابت و پایدار است. قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته میشود، می‌گوید: تغییر انرژی درونی یک سیستم برابر است با مجموع گرمای داده شده به سیستم و کار انجام شده بر آن:
\Delta{U}=Q+W
قانون دوم ترمودینامیک
ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال مداوم گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، غیر ممکن است. بیان کلوین-پلانک: غیرممکن است وسیله‌ای بسازیم که در یک سیکل عمل کند و در عین حال فقط با یک مخزن تبادل حرارت داشته باشد یعنی غیر ممکن است یک موتور حرارتی بدون از دست دادن گرمادر Qc به کار خود ادامه دهد. بیان کلازیوس:امکان ندارد که یک یخچال طی یک چرخه، تمام انرژی را که از منبع سرد دریافت میکند به منبع گرم انتقال دهد . یعنی نمی توان یخچالی ساخت که بدون کار ورودی عمل کند.به عبارت ساده قانون دوم بیانگر مسیر انجام یک فرایند می باشد.
قانون سوم ترمودینامیک
قانون سوم ترمودینامیک می‌گوید هنگامی که انرژی یک سیستم به حداقل مقدار خود میل میکند، انتروپی سیستم به مقدار قابل چشم‌پوشی می‌رسد. یا بطور نمادین: هنگامی که U\longrightarrow{U_{0}}، S\longrightarrow{0}
پتانسیل های ترمودینامیکی
پتانسیل های ترمودینامیکی، متغیر های اسکالری می باشند که برای ارزیابی انرژی ذخیره شده در سیستم استفاده می شوند. پتانسیل ها برای اندازه گیری تغییرات انرژی هنگامی که از حالت اولیه به حالت نهایی استفاده می شوند. از پتانسیل های مختلف با توجه به متقییر های محدود کننده در سیستم همانند فشار و حجم استفاده مشود. به عنوان مثال هر دو پتانسیل گیبز و هلمهولتز به عنوان انرژی قابل دسترس برای انجام کار مفید شناخته می شوند هنگامی که به ترتیب فشار و دما یا حجم و دما در سیستم ثابت نگه داشته شوند. پنج پتانسیل مهم در ترمودینامیک بصورت جدول زیر تعریف شده اند:
انرژی درونی U\,
انرژی آزاد هلهمولتز A=U-TS\,
آنتالپی H=U+PV\,
انرژی آزاد گیبس G=U+PV-TS\,
پتانسیل بزرگ \Phi_{G}=U-TS-\mu N\,
در جدول فوق P فشار، V حجم، T دما و S آنتروپی می باشد. روابط ماکسول با توجه به این چهار پتانسیل تعریف می شوند.