تصف العديد من العمليات الديناميكية الحرارية المثالية كيف يمكن أن تخضع حالات الغاز المثالي للتغيير. العملية متساوية الضغط هي مجرد واحدة من هذه.
ما هي دراسة الديناميكا الحرارية؟
الديناميكا الحرارية هي دراسة التغيرات التي تحدث في الأنظمة بسبب نقل الطاقة الحرارية (الطاقة الحرارية). في أي وقت يتلامس فيه نظامان لدرجات حرارة مختلفة مع بعضهما البعض ، ستنتقل الطاقة الحرارية من النظام الأكثر سخونة إلى نظام التبريد.
تؤثر العديد من المتغيرات المختلفة على كيفية حدوث انتقال الحرارة هذا. تؤثر الخصائص الجزيئية للمواد المعنية على مدى سرعة وسهولة انتقال الطاقة الحرارية من نظام إلى آخر على سبيل المثال ، تؤثر السعة الحرارية المحددة (مقدار الحرارة المطلوبة لرفع كتلة الوحدة بمقدار درجة واحدة مئوية) على النتيجة النهائية الناتجة درجات الحرارة.
عندما يتعلق الأمر بالغازات ، تحدث العديد من الظواهر المثيرة للاهتمام عند نقل الطاقة الحرارية. الغازات قادرة على التمدد والتقلص بشكل كبير ، وكيفية القيام بذلك يعتمد على الحاوية المحصورة فيها ، وضغط النظام ودرجة الحرارة. لذلك ، فإن فهم كيفية عمل الغازات أمر مهم في فهم الديناميكا الحرارية.
النظرية الحركية ومتغيرات الحالة
توفر النظرية الحركية طريقة لنمذجة الغاز بحيث يمكن تطبيق الميكانيكا الإحصائية ، مما يؤدي في النهاية إلى القدرة على تحديد نظام عبر مجموعة من متغيرات الحالة.
فكر في ماهية الغاز: مجموعة من الجزيئات قادرة على التحرك بحرية حول بعضها البعض. من أجل فهم الغاز ، من المنطقي النظر إلى مكوناته الأساسية - الجزيئات. لكن ليس من المستغرب أن يصبح هذا مرهقًا بسرعة كبيرة. تخيل العدد الهائل من الجزيئات في كوب مليء بالهواء على سبيل المثال. لا يوجد جهاز كمبيوتر قوي بما يكفي لتتبع تفاعلات العديد من الجسيمات مع بعضها البعض.
بدلاً من ذلك ، من خلال نمذجة الغاز كمجموعة من الجسيمات التي تخضع جميعها لحركة عشوائية ، يمكنك البدء لفهم الصورة الكلية من حيث جذر متوسط السرعات التربيعية للجسيمات ، من أجل مثال. يصبح من المناسب البدء في الحديث عن متوسط الطاقة الحركية للجزيئات بدلاً من تحديد الطاقة المرتبطة بكل جسيم على حدة.
تؤدي هذه الكميات إلى القدرة على تحديد متغيرات الحالة ، وهي كميات تصف حالة النظام. ستكون متغيرات الحالة الرئيسية التي تمت مناقشتها هنا هي الضغط (القوة لكل وحدة مساحة) ، الحجم (المقدار من الفضاء الذي يشغله الغاز) ودرجة الحرارة (وهي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية لكل مركب). من خلال دراسة كيفية ارتباط متغيرات الحالة هذه ببعضها البعض ، يمكنك اكتساب فهم للعمليات الديناميكية الحرارية على نطاق عياني.
قانون تشارلز وقانون الغاز المثالي
الغاز المثالي هو الغاز الذي يتم فيه وضع الافتراضات التالية:
يمكن معالجة الجزيئات مثل الجسيمات النقطية ، ولا تشغل مساحة. (لكي يكون هذا هو الحال ، لا يُسمح بالضغط العالي ، أو ستصبح الجزيئات قريبة بما يكفي من بعضها البعض بحيث تصبح أحجامها ذات صلة.)
القوى والتفاعلات بين الجزيئات لا تذكر. (لا يمكن أن تكون درجة الحرارة منخفضة جدًا بحيث يكون هذا هو الحال. عندما تكون درجة الحرارة منخفضة جدًا ، تبدأ القوى بين الجزيئات في لعب دور أكبر نسبيًا.)
تتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض وتتفاعل جدران الحاوية في تصادمات مرنة تمامًا. (هذا يسمح بافتراض الحفاظ على الطاقة الحركية.)
بمجرد وضع هذه الافتراضات ، تصبح بعض العلاقات واضحة. من بينها قانون الغاز المثالي ، والذي يتم التعبير عنه في شكل معادلة على النحو التالي:
PV = nRT = NkT
أينصهو الضغط ،الخامسهو الحجم ،تيهي درجة الحرارةنهو عدد الشامات ،نهو عدد الجزيئات ،رهو ثابت الغاز العالمي ،كهو ثابت بولتزمان وnR = Nk.
يرتبط قانون تشارلز ارتباطًا وثيقًا بقانون الغاز المثالي ، والذي ينص على أنه بالنسبة للضغط المستمر ، فإن الحجم ودرجة الحرارة متناسبان بشكل مباشر ، أوV / T= ثابت.
ما هي عملية Isobaric؟
عملية متساوية الضغط هي عملية ديناميكية حرارية تحدث عند ضغط ثابت. في هذا المجال ، ينطبق قانون تشارلز لأن الضغط ثابت.
تشمل أنواع العمليات التي يمكن أن تحدث عندما يظل الضغط ثابتًا التمدد متساوي الضغط ، وفي أي حجم تزداد بينما تنخفض درجة الحرارة ، وتقلص متساوي الضغط ، حيث ينخفض الحجم بينما تنخفض درجة الحرارة يزيد.
إذا سبق لك طهي وجبة ميكروويف تتطلب منك قطع فتحة في البلاستيك قبل وضعها في الميكروويف ، فهذا بسبب التوسع متساوي الضغط. داخل الميكروويف ، يكون الضغط داخل وخارج صينية الوجبات المغطاة بالبلاستيك دائمًا كما هو ودائمًا في حالة توازن. ولكن مع طهي الطعام وتسخينه ، يتمدد الهواء داخل الصينية نتيجة ارتفاع درجة الحرارة. إذا لم يكن هناك فتحات تهوية ، فقد يتمدد البلاستيك إلى النقطة التي ينفجر فيها.
لتجربة ضغط متساوي الضغط سريعًا في المنزل ، ضع بالونًا منفوخًا في المجمد. مرة أخرى ، الضغط داخل وخارج البالون سيكون دائمًا في حالة توازن. ولكن عندما يبرد الهواء في البالون ، سينكمش نتيجة لذلك.
إذا كانت أي حاوية تحتوي على الغاز حرة في التمدد والانكماش ، وظل الضغط الخارجي ثابتًا ، فعندئذٍ أي ستكون العملية متساوية الضغط لأن أي اختلاف في الضغوط قد يتسبب في تمدد أو انكماش حتى يحدث هذا الاختلاف تم الحل.
العمليات متساوية الضغط والقانون الأول للديناميكا الحرارية
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن التغيير في الطاقة الداخليةيومن نظام يساوي الفرق بين كمية الطاقة الحرارية المضافة إلى النظامسوصافي العمل الذي قام به النظامدبليو. في شكل معادلة ، هذا هو:
\ Delta U = Q - W
تذكر أن درجة الحرارة كانت متوسط الطاقة الحركية لكل جزيء. الطاقة الداخلية الكلية هي إذن مجموع الطاقات الحركية لجميع الجزيئات (مع الغاز المثالي ، تعتبر الطاقات الكامنة ضئيلة). ومن ثم فإن الطاقة الداخلية للنظام تتناسب طرديا مع درجة الحرارة. نظرًا لأن قانون الغاز المثالي يربط الضغط والحجم بدرجة الحرارة ، فإن الطاقة الداخلية تتناسب أيضًا مع ناتج الضغط والحجم.
لذلك إذا تمت إضافة الطاقة الحرارية إلى النظام ، تزداد درجة الحرارة كما تزداد الطاقة الداخلية. إذا كان النظام يعمل على البيئة ، فسيتم فقد هذه الكمية من الطاقة في البيئة ، وتنخفض درجة الحرارة والطاقة الداخلية.
على الرسم البياني PV (الرسم البياني للضغط مقابل. حجم) ، تبدو العملية متساوية الضغط مثل رسم بياني خطي أفقي. نظرًا لأن مقدار العمل المنجز أثناء عملية الديناميكا الحرارية يساوي المنطقة الواقعة تحت منحنى PV ، فإن العمل المنجز في عملية متساوية الضغط هو ببساطة:
W = P \ Delta V.
عمليات متساوية الضغط في المحركات الحرارية
تقوم المحركات الحرارية بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية عبر دورة كاملة من نوع ما. يتطلب هذا عادةً نظامًا للتوسع في مرحلة ما خلال الدورة من أجل القيام بعمل ونقل الطاقة إلى شيء خارجي.
ضع في اعتبارك مثالًا يتم فيه توصيل قارورة Erlenmeyer عبر أنابيب بلاستيكية بمحقنة زجاجية. يتم حجز كمية ثابتة من الهواء داخل هذا النظام. إذا كان مكبس المحقنة حرًا في الانزلاق ، حيث يعمل كمكبس متحرك ، ثم بوضع القارورة في حمام حراري (حوض من الماء الساخن) ، سوف يتمدد الهواء ويرفع المكبس ، ويقوم بعمل.
لإكمال دورة محرك الحرارة هذا ، يجب وضع القارورة في حمام بارد حتى تتمكن المحقنة من العودة إلى حالتها الأولى مرة أخرى. يمكنك إضافة خطوة إضافية لاستخدام المكبس لرفع كتلة أو القيام ببعض أشكال العمل الميكانيكي أثناء تحركه.
العمليات الديناميكية الحرارية الأخرى
تشمل العمليات الأخرى التي تمت مناقشتها بمزيد من التفصيل في مقالات أخرى ما يلي:
متحاورالعمليات ، حيث يتم الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة. عند درجة حرارة ثابتة ، يتناسب الضغط عكسًا مع الحجم ، وينتج عن الضغط المتساوي الحرارة زيادة في الضغط بينما يؤدي التمدد المتساوي الحرارة إلى انخفاض في الضغط.
فيمتساوي الصدرفي العملية ، يتم الاحتفاظ بحجم الغاز ثابتًا (يتم الاحتفاظ بالحاوية التي تحتوي على الغاز صلبة وغير قادرة على التمدد أو الانكماش). هنا يكون الضغط متناسبًا طرديًا مع درجة الحرارة. لا يمكن القيام بأي عمل على النظام أو بواسطته لأن مستوى الصوت لا يتغير.
فيثابت الحرارةعملية ، لا يتم تبادل الحرارة مع البيئة. من حيث القانون الأول للديناميكا الحرارية ، هذا يعنيس= 0 ، وبالتالي فإن أي تغيير في الطاقة الداخلية يتوافق بشكل مباشر مع العمل الذي يتم إجراؤه على النظام أو بواسطة النظام.