ترموديناميک شيمي

[azarafrooz 14,221]

سیر تاریخی علم ترمودینامیک بصورت زیر می‌باشد (کلیه تاریخ‌ها میلادی می‌باشند):

 

۱۷۹۸- کنت رامفورد (بنجامین تامسون) مطالعه تبدیل کار به گرما را طی آزمایش مشهور مته و تخته آغاز نمود.

 

۱۷۹۹- سرهامفری دیوی تبدیل کار به حرارت را با آزمایش سابیدن یخ مطالعه نمود.

 

۱۸۲۴- کارنو تئوری مشهور خود «بازتابی بر نیروی محرک آتش» منتشر نمود که در برگیرنده اصل جدیدی در باره تعریف چرخه و اصلی که توضیف کننده آن بود که چرخه بازگشت پذیر بین دو منبع حرارتی تنها به دمای منابع بستگی دارد و نه به موادکاری

 

۱۸۴۲- مایر اصل بقا انرژی را ارائه نمود.

 

۱۸۴۷- هلمهولتز اصل بقا انرژی را بصورت مستقل از مایر فروموله نمود.

 

۱۸۴۳-۱۸۴۸- جیمز پریسکات ژول با ترتیب دادن آزمایشاتی چهارچوب تجربی قانون اول ترمودینامیک را بنیان نهاد. امروزه به پاس این دانشمند بزرگ حرف j برای نمایش معادل مکانیکی کار استفاده می‌شود.

 

۱۸۴۸- لرد کلوین (ویلیام تامسون) واحد درجه حرارت مطلق را بر مبنای چرخه کارنو تعریف نمود.

 

۱۸۵۰- رودلف کلاوزیوس احتمالا به عنوان اولین کسی که به وجود دو قانون اساسی ترمودینامیک: قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک پی برد.

 

۱۸۶۵- کلاوزیوس قوانین اول و دوم ترمودینامیک را در دو خط بیان نمود:

انرژی جهان دارای مقدار ثابتی است.

آنتروپی جهان تمایل به بیشینه شدن دارد.

 

۱۸۷۵- جوسایا ویلارد گیبز گزارش سرنوشت ساز خود «در برابری مواد ناهمگون» را که ترمودینامیک را به سیستم‌های ناهمگون و واکنش‌های شیمیایی بسط داد منتشر نمود. این گزارش اصل مهم پتانسیل شیمیایی را توصیف می‌نمود.

 

۱۸۹۷- ماکس پلانک قانون دوم ترمودینامیک را به صورت: «غیرممکن است بتوان موتوری ساخت که در یک چرخه کامل کار نموده و اثر دیگری غیر از بالا بردن وزنه و خنک نمودن یک منبع حرارتی داشته باشد.» بیان نمود.

 

۱۹۰۹- کاراتئودوری ساختار جدیدی از ترمودینامیک را بر مبنای جدیدی که کاملا فرم ریاضی داشت منتشر نمود.

واژه ترمودینامیک از دو واژه یونانی ترمو به معنی گرما و دینامیک به معنی پویایی وقدرت تشکیل شده است . کلمه دینامیک در واژه این علم به معنی این است که ترمودینامیک علم بررسی انرژی در حرکت و پویایی اجسام و سیستمها است ، به همین دلیل واژه معادل فارسی ترمودینامیک ،گرماپویایی است . در این علم تمام جنبه های انرژی و تبدیلات آن از قبیل تولید قدرت ، تبرید و سرمایش توصیف می شوند .

ترمودینامیک علم بررسی رفتار مواد در برابر کار و انرژی (معمولاً به شکل گرما) است. در ترمودینامیک درمورد روش‌های تبدیل انرژی و تغییرات خواص ماده در اثر تبدیل انرژی، تغییر فاز و یا تماس با ماده دیگر بحث می‌ شود. این تعریف بسیارکلی است و در واقع هنگامی می‌توان این تعریف را واقعاً درک کرد که با جوانب کاربردی آن آشنا شده باشیم.

تعریف دقیق ترمودینامیک درهمه کتابهای ترمودینامیک و جزوات درسی دانشجویان موجود است که آن را علم کار و حرارت یا دانش انرژی و انتروپی خوانده اند .

 

می دانیم که ماده از تعداد زیادی ذرات به نام مولکول تشکیل شده است که خواص یک ماده بطور طبیعی به رفتار این ذرات وابسته است . مثلا برای تعریف فشار یک گاز از برخورد مولکوها و انتقال اندازه حرکت آنها کمک می گیریم ؛ حال با دانستن این موضوع به این نکته اشاره می کنیم که برای تعیین فشار داخل یک محفظه لازم نیست که از رفتار ذرات گاز اطلاع دقیق داشته باشیم و با اتصال یک فشار سنج به آن محفظه نیز می توان فشارآن را یافت .

در ترمودینامیک ،این روش که یک دید کلی و باز یا به عبارتی یک دید ماکروسکوپی به رفتار اجسام است و نیاز به اطلاع از رفتار ذرات ندارد ، ترمودینامیک کلاسیک نام دارد .

 

درمقابل اگر با یک دید دقیق و میکروسکوپی به رفتار اجسام بنگریم و مبنای عمل ، میانگین رفتار گروههای بزرگ ذرات باشد در علم ترمودینامیک آماری به سر می بریم .

 

ترمودینامیک نیز مانند تمام علوم ، یک علم آزمایشگاهی و تجربی است که بنیان آن بر اساس چند اصل ساده و بسیلر مهم شکل گرفته است که به قوانین ترمودینامیک موسوم هستند که این قوانین نیز برگرفته از مشاهدات تجربی است .

بسیاری ازتجهیزات مهندسی شامل دستگاههای تاسیساتی ، تجهیزات نیروگاهی ، توربین های گاز ، موتورهای احتراق داخلی ، یخچال ها وبسیاری از دیگر اختراعات بشر بر پایه علم ترمودینامیک شکل گرفته است .

 

مشهود ترین کاربردهای ترمودینامیک در سیکلهای توان ( قدرت ) و سیکلهای تبرید ( سرمایش ) یافت می شوند.

 

ازاین میان می توان به سه مثال خوب از دستگاههای ترمودینامیکی اشاره کرد :

 

نیروگاه ساده بخار

موتورهای احتراق داخلی

یخچال ساده ومعمولی

 

 

مطالب مورد بحث در ترمودینامیک :

 

آنتالپي | آنتالپي تشکيل | قانون هس يا قانون جمعبندي ثابت گرما | قانون نسبتهاي معين | آنتالپي تصعيد | ظرفيت گرمايي | گرماي ويژه | مقياس دماي کلوين | مقياس دماي فارنهايت | عدد کوانتومي مغناطيسي

 

[azarafrooz 14,221]

تعربف خواص ترمودینامیکی : خواص قابل اندازه گیری یک سامانه برای توصیف آن سامانه

 

انواع خواص ترمودینامیکی :

1) خواص شدتی : به مقدار ماده بستگی ندارد .مانند : رنگ ، چگالی ، دما

2) خواص مقداری : به مقدار ماده بستگی دارد .مانند : جرم ، حجم

 

انواع خواص از یک دید دیگر :

1) خاصیت حالت : به حالت فعلی سیستم وابسته است و مستقل از مسیر می باشد . مانند : فشار ، حجم

2) خاصیت مسیر : به چگونگی رسیدن به این حالت بستگی دارد . مانند :گرما ،کار

 

 

[azarafrooz 14,221]

قانون صفر : اگر a با b و b با c در تعادل گرمایی باشند ، a با c نیز در تعادل گرمایی خواهد بود ( اساس ساخت دماسنج )

 

قانون اول : انرژی داخلی سیستم ثابت می ماند ، مگر این که با انجام کار یا انتقال گرما مقدارش تغییر کند ( بیانی دیگر از قانون پایستگی انرژی ). ( فقط تحولاتی مجاز است که انرژی داخلی کل سیستم منزوی ثابت بماند )

 

قانون دوم : آنتروپی سیستم منزوی در یک فرایند خودبه خودی افزایش می یابد .

 

قانون سوم : اگر آنتروپی هر عنصر به حالت پایدار در دمای صفر (0k ) برابر صفر باشد ( s(0)= 0) هر ماده ای آنتروپی مثبتی دارد که می تواند در t=0 برابر صفر باشد . (در t=0 آنتروپی همه مواد در شکل بلوری کامل یکسان است که انتخاب صفر از نظر ترمودینامیکی برای سهولت در کار است )

[azarafrooz 14,221]

سیستم: بخشی از جهان که مورد مطالعه است .

 

محیط : اطراف سیستم که مشاهدات از ان جا صورت می گیرد .

جهان : مجموع سیستم ومحیط

 

انواع سیستم :

1) سیستم باز : ماده از مرز سیستم و محیط عبور کند

2) سیستم بسته : ماده از مرز سیستم ومحیط عبور نکند

3)سیستم منزوی : سیستم بسته ای که با محیط تبادل انرژی ندارد ( سیستم با محیط تبادل ماده و انرژی ندارد )

انواع جداره ها :

1) دیاترمیک : جداره هایی که انرژی از آن ها عبور می کند. مانند : شیشه ، فولاد

2) آدیاباتیک : جداره هایی که انرژی از آن ها عبور نمی کند. مانند فلاسک دیوئر .