در طول یک روز عادی، همه افراد با سیستم های مختلف مهندسی مانند خودرو، یخچال، مایکروویو، و ماشین های ظرفشویی و ... سرو کار دارند. هر سیستم مهندسی شامل اجزای مختلفی است و عملکرد کل سیستم به تاثیر متقابل تک تک اجزای سیستم بستگی دارد. در بسیاری از سیستم ها اجزای سیستم با تغییر در فرم های مختلف انرژی روی دیگر اجزا اثر می گذارند. ترمودینامیک یک علم مهندسی است که به قوانین حاکم بر انتقال انرژی از فرمی به فرم دیگر می پردازد. در این بخش به توضیح قوانین اول و دوم ترمودینامیک می پردازیم.
در آنالیز مهندسی ترمودینامیک ابتدا باید یک سیستم کنترل تعریف کنیم. پس از تعریف سیستم همه اجزای اطراف آن، محیط سیستم نامیده می شود. علاقه مهندسین و محققین به یافتن رابطه بین سیستم و محیط اطراف آن است. در تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی، سیستم می تواند در برگیرنده قسمت مشخصی از ماده (جرم کنترلCM) یا حجم بخشی از ماده (حجم کنترلCV) باشد. در سیستم جرم کنترل، در حالیکه سیستم در یک فرایند ترمودینامیکی است انرژی می تواند از مرزهای سیستم عبور کند. سیستم جرم کنترلی به عنوان سیستم بسته هم نامیده می شود زیرا که هیچ جرمی نمی تواند از محدوده خود خارج شود. اما در سیستم های حجم کنترل (سیستم باز) هم انرژی و هم ماده می تواند از مرزهای سیستم عبور کند. شکل و اندازه CV باید ثابت باشد.
انرژی سیستم شامل سه بخش است: انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل، انرژی درونی. انرژی جنبشی و پتانسیل ماکروسکوپی و قابل مشاهده اند. انرژی درونی به آشفتگی در مولکول ها ارتباط دارد و به طور مستقیم قابل مشاهده نیست. در تجزیه تحلیل ترمودینامیکی انرژی کل سیستم را با به دست آوردن انرژی تک تک اجزا محاسبه می کنند.
قانون اول ترمودینامیک چنین می گوید انرژی به وجود نمی آید و از بین نمی رود ولی می تواند از نوعی به نوع دیگر تبدیل شود. انرژی در یک سیستم بسته از رابطه زیر به دست می آید.
E انرژی کل سیستم، e انرژی درونی بر واحد جرم،g شتاب جاذبه و دو ترم دیگر انرژی جنبشی و پتانسیل می باشند. هنگامی که سیستم دچار تغییر می شود، تغییر انرژی در سیستم با فرم کلی بالانس انرژی بیان می شود.
انرژی تولید شده در سیستم(واکنش)+ انرژی از دست رفته از سیستم- انرژی وارد شده به سیستم =انرژی ذخیره شده در سیستم
در بسیاری از واکنش ها در پیرامون ما واکنش در جهت رفت صرفا انجام پذیر است. و معکوس آن شدنی نیست. برای مثال اکسیژن و هیدروژن به سرعت آب تولید می کنند در حالیکه عکس واکنش (الکترولیز) بدون دادن انرژی انجام پذیر نیست. مثال دیگر افزودن شیر داغ به قهوه است. به محض اینکه به قهوه شیر اضافه می شود عمل عکس انجام ناپذیر است. این رویدادها با قانون دوم ترمودینامیک توجیه پذیرند. بر خلاف قانون اول، قانون دوم به مسیر فرایند می پردازد. برای درک بهتر قانون دوم ترمودینامیک، خاصیت ترمودینامیکی جدیدی به نام انتروپی را معرفی می کنیم. انتروپی سیستم به اندازه گیری بی نظمی در مولکول ها و اختلال در سطح میکروسکوپی می پردازد. آشفتگی بیشتر در سیستم، انرژی مفید برای انجام کار را کمتر می کند. این قانون می گوید در یک سیستم ایزوله، آنتروپی می تواند تولید شود اما از بین نمی رود.
∆S=Sfinal-Sinitial ≥0 برای سیستم ایزوله
در واقع هر چه دمای سیستم بالاتر باشد میزان جنبش و حرکت ذره های ماده بیشتر خواهد بود و میزان بی نظمی بیشتر است .
فرایندهای ترمودینامیکی را می توان به عنوان فرایندهای برگشت پذیر و برگشت ناپذیر طبقه بندی کرد. در فرایندهای برگشت پذیر در طی فرایند انتروپی سیستم بدون تغییر باقی می ماند. افزایش انتروپی در یک سیستم بسته در فرایند برگشت پذیر از رابطه زیر قابل محاسبه است.
dS=dQ/T
dS در آن افزایش انتروپی، dQ انرژی جذب شده و T دمای مطلق است.
برای 1 مول در 298 کلوین و فشار 1 اتمسفر
ماده |
آنتالپی
|
گیبس
|
آنتروپی
|
گرمای ویژه
|
حجم
|
|
Al (s) |
0 |
0 |
28.33 |
24.35 |
9.99 |
|
Al2SiO5 (کیانیت) |
-2594.29 |
-2443.88 |
83.81 |
121.71 |
44.09 |
|
Al2SiO5 (آندالوزیت) |
-2590.27 |
-2442.66 |
93.22 |
122.72 |
51.53 |
|
Al2SiO5 (سیلیمانیت) |
-2587.76 |
-2440.99 |
96.11 |
124.52 |
49.90 |
|
Ar (g) |
0 |
0 |
154.84 |
20.79 |
... |
|
C (گرافیت) |
0 |
0 |
5.74 |
8.53 |
5.30 |
|
C (الماس) |
1.895 |
2.900 |
2.38 |
6.11 |
3.42 |
|
CH4 (g) |
-74.81 |
-50.72 |
186.26 |
35.31 |
... |
|
C2H6 (g) |
-84.68 |
-32.82 |
229.60 |
52.63 |
... |
|
C3H8 (g) |
-103.85 |
-23.49 |
269.91 |
73.5 |
... |
|
C2H5OH (l) |
-277.69 |
-174.78 |
160.7 |
111.46 |
58.4 |
|
C6H12O6 (گلوکز) |
-1268 |
-910 |
212 |
115 |
... |
|
CO (g) |
-110.53 |
-137.17 |
197.67 |
29.14 |
... |
|
CO2 (g) |
-393.51 |
-394.36 |
213.74 |
37.11 |
... |
|
H2CO3 (aq) |
-699.65 |
-623.08 |
187.4 |
... |
... |
|
HCO3- (aq) |
-691.99 |
-586.77 |
91.2 |
... |
... |
|
Ca2+ (aq) |
-542.83 |
-553.58 |
-53.1 |
... |
... |
|
CaCO3 (کلسیت) |
-1206.9 |
-1128.8 |
92.9 |
81.88 |
36.93 |
|
CaCO3 (آراگونیت) |
-1207.1 |
-1127.8 |
88.7 |
81.25 |
34.15 |
|
CaCl2 (s) |
-795.8 |
-748.1 |
104.6 |
72.59 |
51.6 |
|
Cl2 (g) |
0 |
0 |
223.07 |
33.91 |
... |
|
Cl- (aq) |
-167.16 |
-131.23 |
56.5 |
-136.4 |
17.3 |
|
Cu (s) |
0 |
0 |
33.150 |
24.44 |
7.12 |
|
Fe (s) |
0 |
0 |
27.28 |
25.10 |
7.11 |
|
H2 (g) |
0 |
0 |
130.68 |
28.82 |
... |
|
H (g) |
217.97 |
203.25 |
114.71 |
20.78 |
... |
|
H+ (aq) |
0 |
0 |
0 |
0 |
... |
|
H2O (l) |
-285.83 |
-237.13 |
69.91 |
75.29 |
18.068 |
|
H2O (g) |
-241.82 |
-228.57 |
188.83 |
33.58 |
... |
|
He (g) |
0 |
0 |
126.15 |
20.79 |
... |
|
Hg (l) |
0 |
0 |
76.02 |
27.98 |
14.81 |
|
N2 (g) |
0 |
0 |
191.61 |
29.12 |
... |
|
NH3 (g) |
-46.11 |
-16.45 |
192.45 |
35.06 |
... |
|
Na+(aq) |
-240.12 |
-261.91 |
59.0 |
46.4 |
-1.2 |
|
NaCl (s) |
-411.15 |
-384.14 |
72.13 |
50.50 |
27.01 |
|
NaAlSi3O8 (آلبیت) |
-3935.1 |
-3711.5 |
207.40 |
205.10 |
100.07 |
|
NaAlSi2O6 (سنگ قولنج) |
-3030.9 |
-2852.1 |
133.5 |
160.0 |
60.40 |
|
Ne (g) |
0 |
0 |
146.33 |
20.79 |
... |
|
O2 (g) |
0 |
0 |
205.14 |
29.38 |
... |
|
O2 (aq) |
-11.7 |
16.4 |
110.9 |
... |
... |
|
OH- (aq) |
-229.99 |
-157.24 |
-10.75 |
-148.5 |
... |
|
Pb (s) |
0 |
0 |
64.81 |
26.44 |
18.3 |
|
PbO2(s) |
-277.4 |
-217.33 |
68.6 |
64.64 |
... |
|
PbSO4(s) |
-920.0 |
-813.0 |
148.5 |
103.2 |
... |
|
SO42- (aq) |
-909.27 |
-744.53 |
20.1 |
-293 |
... |
|
HSO4- (aq) |
-887.34 |
-755.91 |
131.8 |
-84 |
... |
|
SiO2 (a quartz) |
-910.94 |
-856.64 |
41.84 |
44.43 |
22.69 |
|
H4SiO4(aq) |
-1449.36 |
-1307.67 |
215.13 |
468.98 |
... |
نظرات (۵)
ماجده ◕ ‿ ◕
پنجشنبه ۱۵ مهر ۹۵ , ۱۸:۲۶چی به چی شد
مکاترونیک خودرو*1*
۱۵ مهر ۹۵، ۱۸:۲۸کم کم مسائلشم میزارم دیگه خیلی خوب میشه...
hadis:) zed
پنجشنبه ۱۵ مهر ۹۵ , ۱۸:۳۰اصلن همون اولی هاروهم فراموش کردمo__O
مکاترونیک خودرو*1*
۱۵ مهر ۹۵، ۱۸:۴۹خخخخ
بهت میگم سراغ رشته های فنی نیاکه همشون همینندوسخت وسخت....
ماجده ◕ ‿ ◕
پنجشنبه ۱۵ مهر ۹۵ , ۱۸:۳۱مکاترونیک خودرو*1*
۱۵ مهر ۹۵، ۱۸:۴۸hadis:) zed
پنجشنبه ۱۵ مهر ۹۵ , ۱۸:۵۵مکاترونیک خودرو*1*
۱۵ مهر ۹۵، ۱۸:۵۸خخخ
Mr. Maleki
پنجشنبه ۱۵ مهر ۹۵ , ۲۲:۴۱مکاترونیک خودرو*1*
۱۵ مهر ۹۵، ۲۳:۲۴