يمكن أن يكون نفس النظام في حالات مختلفة. تتميز كل حالة من حالات النظام بمجموعة معينة من قيم المعلمات الديناميكية الحرارية. تشمل المعلمات الديناميكية الحرارية درجة الحرارة والضغط والكثافة والتركيز وما إلى ذلك. يؤدي التغيير في معلمة ديناميكية حرارية واحدة على الأقل إلى تغيير في حالة النظام ككل. عندما تكون المعلمات الديناميكية الحرارية ثابتة في جميع نقاط النظام (الحجم)، تسمى الحالة الديناميكية الحرارية للنظام حالة توازن.
يميز متجانسو غير متجانسةأنظمة. تتكون الأنظمة المتجانسة من مرحلة واحدة، وتتكون الأنظمة غير المتجانسة من مرحلتين أو أكثر. مرحلة -وهو جزء من النظام، متجانس في جميع النقاط من حيث التركيب والخصائص، ويفصله عن الأجزاء الأخرى من النظام واجهة. مثال على نظام متجانس هو محلول مائي. ولكن إذا كان المحلول مشبعا وفي الجزء السفلي من السفينة هناك بلورات الملح، فإن النظام قيد النظر غير متجانس (هناك حدود المرحلة). مثال آخر على النظام المتجانس هو الماء البسيط، لكن الماء الذي يطفو فيه الجليد هو نظام غير متجانس.
لوصف سلوك النظام الديناميكي الحراري كميًا، يقدم المرء معلمات الحالة -الكميات التي تحدد بشكل فريد حالة النظام في وقت معين. لا يمكن العثور على معلمات الحالة إلا بناءً على الخبرة. يتطلب النهج الديناميكي الحراري إمكانية قياسها تجريبيًا باستخدام أدوات مجهرية. عدد المعلمات كبير، ولكن ليس كل منهم مهم للديناميكا الحرارية. في أبسط الحالات، يجب أن يحتوي أي نظام ديناميكي حراري على أربع معاملات مجهرية: الكتلة م، مقدار الخامس، ضغط صودرجة الحرارة ت. تم تعريف الثلاثة الأولى منها بكل بساطة وهي معروفة جيدًا من خلال دورة الفيزياء.
| في السابع عشر – القرن التاسع عشرتمت صياغة القوانين التجريبية للغازات المثالية. دعونا نتذكرهم بإيجاز. عمليات تساوي الغاز المثالية - العمليات التي يبقى فيها أحد المعلمات دون تغيير. 1. عملية متساوية . قانون تشارلز. الخامس = ثابت. عملية متساوية تسمى العملية التي تحدث عندما حجم ثابتالخامس. يطيع سلوك الغاز في هذه العملية المتساوية قانون تشارلز : عند حجم ثابت وقيم ثابتة لكتلة الغاز و الكتلة المولية، تظل نسبة ضغط الغاز إلى درجة حرارته المطلقة ثابتة: P/T= ثابت. رسم بياني لعملية isochoric على الكهروضوئية- يسمى المخطط متساوي التشعب . من المفيد معرفة الرسم البياني للعملية المتساوية ر.ت- و VT- المخططات (الشكل 1.6). المعادلة المتساوية: حيث P 0 هو الضغط عند 0 درجة مئوية، α هو معامل درجة حرارة ضغط الغاز الذي يساوي 1/273 درجة -1. رسم بياني لمثل هذا الاعتماد على طن-يحتوي الرسم البياني على النموذج الموضح في الشكل 1.7. أرز. 1.7 2. عملية ايزوباريك. قانون جاي-لوساك. ر= ثابت. العملية متساوية الضغط هي عملية تحدث عند ضغط ثابت P . يطيع سلوك الغاز أثناء عملية متساوية الضغط قانون جاي-لوساك : عند ضغط ثابت وقيم ثابتة لكتلة الغاز وكتلته المولية، تظل نسبة حجم الغاز إلى درجة حرارته المطلقة ثابتة: الخامس/ت= ثابت. رسم بياني لعملية متساوي الضغط على VT- يسمى المخطط خط تساوي الضغط الجوي . من المفيد معرفة الرسوم البيانية للعملية متساوية الضغط الكهروضوئية- و ر.ت- المخططات (الشكل 1.8). أرز. 1.8 معادلة الأيزوبار: حيث α =1/273 درجة -1 - معامل درجة حرارة التمدد الحجمي. رسم بياني لمثل هذا الاعتماد على فاتوالرسم البياني له الشكل الموضح في الشكل 1.9. أرز. 1.9 3. عملية متساوية الحرارة. قانون بويل ماريوت. ت= ثابت. متحاور العملية هي العملية التي تحدث عندما درجة حرارة ثابتةت. يطيع سلوك الغاز المثالي أثناء عملية متساوية الحرارة قانون بويل-ماريوت: عند درجة حرارة ثابتة وقيم ثابتة لكتلة الغاز وكتلته المولية، يظل حاصل ضرب حجم الغاز وضغطه ثابتًا: الكهروضوئية= ثابت. رسم بياني لعملية متساوي الحرارة الكهروضوئية- يسمى المخطط متساوي الحرارة . من المفيد معرفة الرسوم البيانية لعملية متساوية الحرارة VT- و ر.ت- المخططات (الشكل 1.10). أرز. 1.10 معادلة الأيسوثرم:
4. عملية ثابت الحرارة (متساوي الانتروبيا): العملية الأديباتية هي عملية ديناميكية حرارية تحدث بدون تبادل حراري مع بيئة. 5. عملية متعددة التوجهات. عملية تظل فيها السعة الحرارية للغاز ثابتة.عملية متعددة التوجهات – الحالة العامةجميع العمليات المذكورة أعلاه. 6. قانون أفوجادرو. عند نفس الضغوط ونفس درجات الحرارة، تحتوي الحجوم المتساوية من الغازات المثالية المختلفة على نفس العدد من الجزيئات. يحتوي المول الواحد من مواد مختلفة على N A=6.02·10 23 الجزيئات (عدد أفوجادرو). 7. قانون دالتون. ضغط خليط الغازات المثالية يساوي مجموع الضغوط الجزئية P للغازات الموجودة فيه: 8. قانون الغاز المتحد (قانون كلابيرون). وفقًا لقوانين بويل-ماريوت (1.4.5) وقانون جاي-لوساك (1.4.3)، يمكننا أن نستنتج أنه بالنسبة لكتلة معينة من الغاز |
مخاليط الغاز. على سبيل المثال، يمكننا تسمية منتجات احتراق الوقود في محركات الاحتراق الداخلي، وأفران الأفران والمراجل البخارية، والهواء الرطب في منشآت التجفيف، وما إلى ذلك.
القانون الأساسي الذي يحدد سلوك خليط الغاز هو قانون دالتون: الضغط الكلي لخليط الغازات المثالية يساوي مجموع الضغوط الجزئية لجميع مكوناته:
ضغط جزئي باي- الضغط الذي سيحدثه الغاز إذا كان وحده عند نفس درجة الحرارة يشغل حجم الخليط بالكامل.
طرق تحديد الخليط.يمكن تحديد تركيبة خليط الغاز بالكتلة أو الحجم أو الكسور المولية.
جزء الشاملتسمى نسبة كتلة المكون الفردي مي، إلى كتلة الخليط م:
من الواضح أن .
غالبًا ما يتم تحديد الكسور الجماعية كنسب مئوية. على سبيل المثال، للهواء الجاف. .
الحجميالكسر هو نسبة الحجم المخفض للغاز V إلى الحجم الكلي للخليط الخامس: .
منحهو الحجم الذي سيشغله مكون الغاز إذا كان ضغطه ودرجة حرارته مساويين لضغط ودرجة حرارة الخليط.
لحساب الحجم المخفض، نكتب معادلتين للحالة أنا-المكون الرابع:
تتعلق المعادلة الأولى بحالة مكون الغاز في الخليط عندما يكون لديه ضغط جزئي بايويشغل الحجم الكامل للخليط، والمعادلة الثانية - إلى الحالة المخفضة، عندما يتساوى ضغط ودرجة حرارة المكون، أما الخليط، رو ت.من المعادلات يتبع ذلك
وبعد تلخيص العلاقة (2.2) لجميع مكونات الخليط، نحصل على ذلك، مع الأخذ في الاعتبار قانون دالتون، من أين. غالبًا ما يتم تحديد كسور الحجم أيضًا كنسب مئوية. للهواء، .
في بعض الأحيان يكون من الملائم أكثر تحديد تركيبة الخليط في الكسور المولية. الكسر الموليتسمى نسبة عدد الشامات نيالمكون المعني ل الرقم الإجماليالشامات من الخليط ن.
دع خليط الغاز يتكون من ن1الشامات من المكون الأول، ن2مولات المكون الثاني، وما إلى ذلك. سيكون عدد مولات الخليط والكسر المولي للمكون مساوياً لـ .
وفقا لقانون أفوجادرو، فإن حجم المول من أي غاز هو نفسه رو تي،على وجه الخصوص، عند درجة حرارة وضغط الخليط، في حالة الغاز المثالي، نفس الشيء. لذلك، يمكن حساب الحجم المخفض لأي مكون على أنه حاصل ضرب حجم المول بعدد مولات هذا المكون، أي حجم الخليط - وفقًا للصيغة. ومن ثم فإن تحديد غازات الخلط في الكسور المولية يساوي تحديد الكسور الحجمية لها.
ثابت الغاز لخليط من الغازات. جمع المعادلات (2.1) لجميع مكونات الخليط نحصل عليه. مع الأخذ بعين الاعتبار، يمكننا أن نكتب
الطاقة الإجمالية للنظام الديناميكي الحراري هي مجموع الطاقة الحركية لحركة جميع الأجسام الموجودة في النظام، والطاقة الكامنة لتفاعلها مع بعضها البعض ومع الأجسام الخارجية، والطاقة الموجودة داخل أجسام النظام. إذا طرحنا من الطاقة الكلية الطاقة الحركية التي تميز الحركة العيانية للنظام ككل، والطاقة الكامنة لتفاعل أجسامه مع الأجسام العيانية الخارجية، فإن الجزء المتبقي سيمثل الطاقة الداخلية للديناميكا الحرارية نظام.
تشمل الطاقة الداخلية للنظام الديناميكي الحراري طاقة الحركة المجهرية وتفاعل جزيئات النظام، بالإضافة إلى طاقاتها داخل الجزيئات وداخل النواة.
يمكن تحديد الطاقة الإجمالية للنظام (وبالتالي الطاقة الداخلية)، وكذلك الطاقة الكامنة للجسم في الميكانيكا، حتى ثابت تعسفي. ولذلك، إذا غابت أي حركات مجهرية في النظام وتفاعلاته مع الأجسام الخارجية، فيمكننا أن نأخذ المكونات "العيانية" من الطاقات الحركية وطاقات الوضع التي تساوي الصفر ونعتبر الطاقة الداخلية للنظام مساوية لطاقته الإجمالية. يحدث هذا الموقف عندما يكون النظام في حالة توازن ديناميكي حراري.
دعونا نقدم سمة من سمات حالة التوازن الديناميكي الحراري - درجة الحرارة. هذا هو اسم الكمية التي تعتمد على معاملات الحالة، على سبيل المثال، على ضغط الغاز وحجمه، وهي دالة للطاقة الداخلية للنظام. عادة ما يكون لهذه الوظيفة اعتماد رتيب على الطاقة الداخلية للنظام، أي أنها تنمو مع زيادة الطاقة الداخلية.
درجة حرارة الأنظمة الديناميكية الحراريةفي حالة التوازن له الخصائص التالية:
إذا كان هناك نظامان ديناميكيان حراريان متوازنان في اتصال حراري ولهما نفس درجة الحرارة، فإن النظام الديناميكي الحراري الكلي يكون في حالة توازن ديناميكي حراري عند نفس درجة الحرارة.
إذا كان لأي نظام ديناميكي حراري متوازن نفس درجة حرارة نظامين آخرين، فإن الأنظمة الثلاثة تكون في حالة توازن ديناميكي حراري عند نفس درجة الحرارة.
وبالتالي، فإن درجة الحرارة هي مقياس لحالة التوازن الديناميكي الحراري. لإنشاء هذا الإجراء، من المناسب تقديم مفهوم نقل الحرارة.
نقل الحرارة هو نقل الطاقة من جسم إلى آخر دون نقل المادة أو أداء عمل ميكانيكي.
إذا لم يكن هناك انتقال للحرارة بين الأجسام التي تكون على اتصال حراري مع بعضها البعض، فإن الأجسام لها نفس درجات الحرارة وتكون في حالة توازن ديناميكي حراري مع بعضها البعض.
إذا كان هذان الجسمان في نظام معزول يتكون من جسمين، عند درجات حرارة مختلفة، فسيتم نقل الحرارة بطريقة تنتقل الطاقة من الجسم الأكثر تسخينًا إلى الجسم الأقل تسخينًا. وتستمر هذه العملية حتى تتساوى درجات حرارة الجسمين ويصل النظام المعزول المكون من جسمين إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري.
لكي تحدث عملية نقل الحرارة، من الضروري إنشاء تدفقات حرارية، أي أن الخروج من حالة التوازن الحراري مطلوب. ولذلك، فإن الديناميكا الحرارية المتوازنة لا تصف عملية نقل الحرارة، ولكن نتائجها فقط هي الانتقال إلى حالة توازن جديدة. تم وصف عملية نقل الحرارة نفسها في الفصل السادس المخصص للحركية الفيزيائية.
في الختام، تجدر الإشارة إلى أنه إذا كان هناك نظام ديناميكي حراري واحد أكثر درجة حرارة عاليةمن الآخر، فلن يكون بالضرورة لديه طاقة داخلية أكبر، على الرغم من زيادة الطاقة الداخلية لكل نظام مع زيادة درجة حرارته. على سبيل المثال، قد يحتوي حجم أكبر من الماء على طاقة داخلية أكبر، حتى عند درجة حرارة أقل، من حجم أصغر من الماء. لكن في هذه الحالة لن يحدث انتقال الحرارة (انتقال الطاقة) من جسم ذو طاقة داخلية أكبر إلى جسم ذو طاقة داخلية أقل
التعريف 1
النظام الديناميكي الحراري هو مجموعة وثبات من الأجسام المادية العيانية التي تتفاعل دائمًا مع بعضها البعض ومع العناصر الأخرى، وتتبادل الطاقة معها.
في الديناميكا الحرارية، عادة ما يفهمون النظام على أنه شكل فيزيائي مجهري يتكون من عدد كبير من الجسيمات التي لا تنطوي على استخدام المؤشرات العيانية لوصف كل عنصر على حدة. لا توجد قيود معينة في طبيعة الأجسام المادية التي هي المكونات التأسيسيةمثل هذه المفاهيم. ويمكن تمثيلها على شكل ذرات وجزيئات وإلكترونات وأيونات وفوتونات
تأتي الأنظمة الديناميكية الحرارية في ثلاثة أنواع رئيسية:
- معزولة - لا يوجد تبادل مع المادة أو الطاقة مع البيئة؛
- مغلق - الجسم غير مترابط مع البيئة؛
- مفتوح - يوجد تبادل للطاقة والكتلة مع الفضاء الخارجي.
يمكن تقسيم طاقة أي نظام ديناميكي حراري إلى طاقة تعتمد على موضع النظام وحركته، بالإضافة إلى طاقة تحددها حركة وتفاعل الجسيمات الدقيقة التي تشكل المفهوم. الجزء الثاني يسمى في الفيزياء الطاقة الداخلية للنظام.
ميزات الأنظمة الديناميكية الحرارية
الشكل 1. أنواع الأنظمة الديناميكية الحرارية. Author24 - تبادل أعمال الطلاب عبر الإنترنت
ملاحظة 1
مثل خصائص مميزةفي أنظمة الديناميكا الحرارية، يمكنك إحضار أي جسم يتم ملاحظته دون استخدام المجاهر والتلسكوبات.
ولتقديم وصف كامل لمثل هذا المفهوم، من الضروري تحديد التفاصيل العيانية التي يمكن من خلالها التحديد الدقيق للضغط والحجم ودرجة الحرارة والحث المغناطيسي والاستقطاب الكهربائي، التركيب الكيميائي، كتلة المكونات المتحركة.
لأي أنظمة ديناميكية حرارية هناك حدود مشروطة أو حقيقية تفصلها عن البيئة. بدلا من ذلك، غالبا ما يفكرون في مفهوم منظم الحرارة، الذي يتميز بهذه السعة الحرارية العالية التي في حالة التبادل الحراري مع المفهوم الذي تم تحليله، تظل معلمة درجة الحرارة دون تغيير.
يعتمد على عامتفاعل النظام الديناميكي الحراري مع البيئة، فمن المعتاد التمييز بين:
- الأنواع المعزولة التي لا تتبادل المادة أو الطاقة مع البيئة الخارجية؛
- معزولة بشكل ثابت - الأنظمة التي لا تتبادل المادة مع البيئة الخارجية، ولكنها تدخل في تبادل الطاقة؛
- الأنظمة المغلقة - تلك التي لا تتبادل مع المادة، ولا يُسمح إلا بتغيير طفيف في قيمة الطاقة الداخلية؛
- الأنظمة المفتوحة - تلك التي تتميز بالنقل الكامل للطاقة والمادة؛
- مفتوحة جزئيًا - تحتوي على أقسام شبه منفذة، وبالتالي فهي لا تشارك بشكل كامل في تبادل المواد.
اعتمادا على الصياغة، يمكن تقسيم معنى المفهوم الديناميكي الحراري إلى بسيط و خيارات معقدة.
الطاقة الداخلية للأنظمة في الديناميكا الحرارية
الشكل 2. الطاقة الداخلية للنظام الديناميكي الحراري. Author24 - تبادل أعمال الطلاب عبر الإنترنت
ملاحظة 2
تشمل المؤشرات الديناميكية الحرارية الرئيسية، التي تعتمد بشكل مباشر على كتلة النظام، الطاقة الداخلية.
ويشمل الطاقة الحركية الناتجة عن الحركة الجسيمات الأوليةالمواد وكذلك الطاقة الكامنة التي تظهر أثناء تفاعل الجزيئات مع بعضها البعض. هذه المعلمة دائما لا لبس فيها. أي أن معنى الطاقة الداخلية وإدراكها يكونان ثابتين كلما كان المفهوم موجودًا في الحالة الصحيحةبغض النظر عن الطريقة التي وصل بها إلى هذا المنصب.
في الأنظمة التي يظل تركيبها الكيميائي دون تغيير أثناء تحولات الطاقة، عند تحديد الطاقة الداخلية، من المهم أن تأخذ في الاعتبار فقط طاقة الحركة الحرارية لجزيئات المواد.
وخير مثال على مثل هذا النظام في الديناميكا الحرارية هو الغاز المثالي. الطاقة الحرة هي قدر معين من العمل الذي يمكن أن يقوم به الجسم المادي في عملية عكسية متساوية الحرارة، أو تمثل الطاقة الحرة الحد الأقصى من الوظائف الممكنة التي يمكن أن يؤديها المفهوم، مع امتلاك كمية كبيرة من الطاقة الداخلية. الطاقة الداخلية للنظام تساوي مجموع التوتر المقيد والحر.
التعريف 2
الطاقة المقيدة هي ذلك الجزء من الطاقة الداخلية غير القادر على التحول بشكل مستقل إلى عمل - وهذا عنصر منخفض القيمة في الطاقة الداخلية.
عند نفس درجة الحرارة، تزداد هذه المعلمة مع زيادة الإنتروبيا. وبالتالي، فإن إنتروبيا النظام الديناميكي الحراري هي مقياس لتوفير طاقته الأولية. في الديناميكا الحرارية هناك تعريف آخر - فقدان الطاقة في نظام معزول مستقر
العملية العكسية هي عملية ديناميكية حرارية يمكن أن تحدث بسرعة إما في الاتجاه المعاكس أو في الاتجاه المعاكس الاتجاه إلى الأمام، مروراً بمواضع وسيطة متطابقة، ويعود المفهوم في النهاية إلى حالته الأصلية دون إنفاق الطاقة الداخلية، ولا تبقى أي تغييرات عيانية في الفضاء المحيط.
العمليات العكسية تعطي الحد الأقصى من العمل. ومن الناحية العملية، من المستحيل الحصول على أفضل النتائج من النظام. وهذا يعطي أهمية نظرية للظواهر القابلة للانعكاس، والتي تحدث ببطء لا نهائي ولا يمكن الاقتراب منها إلا على مسافات قصيرة.
التعريف 3
في العلم، لا رجعة فيه هي عملية لا يمكن تنفيذها في الاتجاه المعاكس من خلال نفس الحالات المتوسطة.
جميع الظواهر الحقيقية لا رجعة فيها في أي حال. ومن أمثلة هذه التأثيرات الانتشار الحراري، والانتشار، والتدفق اللزج، والتوصيل الحراري. إن انتقال الطاقة الحركية والداخلية للحركة العيانية من خلال الاحتكاك المستمر إلى حرارة، أي إلى النظام نفسه، هو عملية لا رجعة فيها.
متغيرات حالة النظام
يمكن تحديد حالة أي نظام ديناميكي حراري من خلال الجمع الحالي بين خصائصه أو خصائصه. جميع المتغيرات الجديدة التي يتم تحديدها بالكامل فقط في وقت معين ولا تعتمد على كيفية وصول المفهوم إلى هذا الموضع تسمى المعلمات الديناميكية الحرارية للحالة أو الوظائف الأساسية للفضاء.
في الديناميكا الحرارية، يعتبر النظام ثابتًا إذا ظلت القيم المتغيرة مستقرة ولا تتغير مع مرور الوقت. أحد خيارات الحالة الثابتة هو التوازن الديناميكي الحراري. أي تغيير، حتى ولو كان غير مهم، في المفهوم هو بالفعل عملية مادية، لذلك يمكن أن يحتوي على واحد إلى عدة مؤشرات حالة متغيرة. يُطلق على التسلسل الذي تتحول فيه حالات النظام بشكل منهجي إلى بعضها البعض اسم "مسار العملية".
لسوء الحظ، لا يزال هناك خلط بين المصطلحات والأوصاف التفصيلية، لأن نفس المتغير في الديناميكا الحرارية يمكن أن يكون إما مستقلاً أو نتيجة إضافة عدة وظائف للنظام في وقت واحد. لذلك، يمكن أحيانًا اعتبار مصطلحات مثل "معلمة الحالة"، و"وظيفة الحالة"، و"متغير الحالة" مرادفات.
مقدمة. موضوع الهندسة الحرارية. المفاهيم والتعاريف الأساسية. النظام الديناميكي الحراري. معلمات الدولة. درجة حرارة. ضغط. حجم معين. معادلة الحالة. معادلة فان دير فالس .
النسبة بين الوحدات:
1 بار = 10 5 باسكال
1 كجم/سم2 (الغلاف الجوي) = 9.8067 10 4 باسكال
1 ملم زئبق st (المليمتر من الزئبق) = 133 باسكال
1 ملم ماء. فن. (المليمتر عمود الماء) = 9.8067 باسكال
كثافة - نسبة كتلة المادة إلى الحجم الذي تشغله تلك المادة.
حجم معين - مقلوب الكثافة، أي. نسبة الحجم الذي تشغله المادة إلى كتلتها.
تعريف: إذا تغير واحد على الأقل من معلمات أي جسم مدرج في النظام في النظام الديناميكي الحراري، فإن النظام يختبر عملية الديناميكا الحرارية .
المعلمات الديناميكية الحرارية الأساسية للدولة ص، الخامس، تتعتمد الأجسام المتجانسة على بعضها البعض وترتبط ببعضها البعض بواسطة معادلة الحالة:
ف (ف، الخامس، ت)
بالنسبة للغاز المثالي، يتم كتابة معادلة الحالة على النحو التالي:
ص- ضغط
الخامس- حجم معين
ت- درجة حرارة
ر- ثابت الغاز (كل غاز له قيمته الخاصة)
إذا كانت معادلة الحالة معروفة، فإنه لتحديد حالة أبسط الأنظمة يكفي معرفة متغيرين مستقلين من أصل 3
ف = f1 (ت، ر)؛ ت = f2 (ف، تي)؛ تي = f3(ت، ف).
غالبًا ما يتم تصوير العمليات الديناميكية الحرارية على الرسوم البيانية للحالة، حيث يتم رسم معلمات الحالة على طول المحاور. تتوافق النقاط الموجودة على مستوى هذا الرسم البياني مع حالة معينة من النظام، وتتوافق الخطوط الموجودة على الرسم البياني مع العمليات الديناميكية الحرارية التي تنقل النظام من حالة إلى أخرى.
دعونا نفكر في نظام ديناميكي حراري يتكون من جسم واحد من بعض الغازات في وعاء به مكبس، ويكون الوعاء والمكبس في وضع واحد في هذه الحالةهي البيئة الخارجية.
لنفترض، على سبيل المثال، أن يتم تسخين الغاز في وعاء، هناك حالتان ممكنتان:
1) إذا كان المكبس ثابتاً ولم يتغير الحجم فإن الضغط في الوعاء سيزداد. هذه العملية تسمى متساوي اللون(v = const)، يعمل بحجم ثابت؛
أرز. 1.1. العمليات المتساوية في بي تيالإحداثيات: الخامس 1 > الخامس 2 > الخامس 3
2) إذا كان المكبس حرا فإن الغاز الساخن يتمدد، وعند ضغط ثابت تسمى هذه العملية متساوى الضغط (ص= const)، يعمل عند ضغط ثابت.
أرز. 1.2 العمليات الأيزوبارية ت - تالإحداثيات: ف1>ف2>ف3
إذا قمت، عن طريق تحريك المكبس، بتغيير حجم الغاز في الوعاء، فإن درجة حرارة الغاز ستتغير أيضًا، ومع ذلك، من خلال تبريد الوعاء أثناء ضغط الغاز والتسخين أثناء التمدد، يمكنك تحقيق أن درجة الحرارة ستكون ثابتة مع التغيرات في الحجم والضغط، تسمى هذه العملية متحاور (ت= ثابت).
أرز. 1.3 العمليات الحرارية ص-تالإحداثيات: ت 1 > ت 2 > ت 3
تسمى العملية التي لا يوجد فيها تبادل حراري بين النظام والبيئة ثابت الحرارةبينما تظل كمية الحرارة في النظام ثابتة ( س= ثابت). في الحياه الحقيقيهلا توجد عمليات ثابتة الحرارة لأنه لا يمكن عزل النظام تمامًا عن البيئة. ومع ذلك، غالبًا ما تحدث العمليات التي يكون فيها التبادل الحراري مع البيئة صغيرًا جدًا، على سبيل المثال، الضغط السريع للغاز في الوعاء بواسطة المكبس، عندما لا يتوفر الوقت لإزالة الحرارة بسبب تسخين المكبس والأوعية.
أرز. 1.4 رسم بياني تقريبي لعملية الأدياباتي ص-تالإحداثيات
التعريف: عملية دائرية (دورة) - هي مجموعة من العمليات التي تعيد النظام إلى حالته الأصلية. رقم العمليات الفرديةيمكن أن يكون أي شيء في الحلقة.
يعد مفهوم العملية الدائرية أمرًا أساسيًا بالنسبة لنا في الديناميكا الحرارية، نظرًا لأن تشغيل محطة الطاقة النووية يعتمد على دورة الماء والبخار، بمعنى آخر، يمكننا النظر في تبخر الماء في القلب، ودوران دوار التوربين عن طريق البخار وتكثيف البخار وتدفق الماء إلى القلب كنوع من العملية أو الدورة الديناميكية الحرارية المغلقة.
التعريف: هيئة العمل - كمية معينة من المادة التي تشارك في الدورة الديناميكية الحرارية عمل مفيد . سائل العمل في محطة مفاعل RBMK هو الماء، والذي، بعد أن يتبخر في القلب على شكل بخار، يعمل في التوربين، مما يؤدي إلى تدوير الدوار.
تعريف: يُطلق على نقل الطاقة في عملية ديناميكية حرارية من جسم إلى آخر، يرتبط بتغير حجم مائع العمل، أو بحركته في الفضاء الخارجي، أو بتغير موضعه عملية العمل .
النظام الديناميكي الحراري
تدرس الديناميكا الحرارية التقنية (t/d) أنماط التحويل المتبادل للحرارة إلى شغل. ويحدد العلاقة بين العمليات الحرارية والميكانيكية والكيميائية التي تحدث في آلات الحرارة والتبريد، ويدرس العمليات التي تحدث في الغازات والأبخرة، وكذلك خواص هذه الأجسام في ظل الظروف الفيزيائية المختلفة.
تعتمد الديناميكا الحرارية على قانونين (مبادئ) أساسية للديناميكا الحرارية:
القانون الأول للديناميكا الحرارية- قانون التحول والحفاظ على الطاقة؛
القانون الثاني للديناميكا الحرارية- يحدد شروط حدوث واتجاه العمليات العيانية في الأنظمة المكونة من كمية كبيرةحبيبات.
التكنولوجيا التقنية، وتطبيق القوانين الأساسية على عمليات تحويل الحرارة إلى عمل ميكانيكي والعكس، تجعل من الممكن تطوير نظريات المحركات الحرارية، ودراسة العمليات التي تحدث فيها، وما إلى ذلك.
الهدف من الدراسة هو النظام الديناميكي الحراري,والتي يمكن أن تكون مجموعة من الأجسام، أو جسدًا، أو جزءًا من جسد. ما هو خارج النظام يسمى بيئة. نظام T/D عبارة عن مجموعة من الأجسام العيانية التي تتبادل الطاقة مع بعضها البعض ومع البيئة. على سبيل المثال: نظام t/d عبارة عن غاز موجود في أسطوانة ذات مكبس، والبيئة عبارة عن أسطوانة ومكبس وهواء وجدران الغرفة.
نظام معزول - نظام t/d لا يتفاعل مع البيئة.
نظام أداباتيك (معزول حراريا). - يحتوي النظام على غلاف ثابت الحرارة يمنع التبادل الحراري (التبادل الحراري) مع البيئة.
نظام متجانس - نظام له نفس التركيبة في جميع أجزائه و الخصائص الفيزيائية.
نظام متجانس - نظام متجانس في التركيب والبنية الفيزيائية، لا توجد بداخله واجهات (ثلج، ماء، غازات).
نظام غير متجانس
- نظام يتكون من عدة أجزاء متجانسة (أطوار) ذات خصائص فيزيائية مختلفة، مفصولة عن بعضها البعض بواسطة واجهات مرئية (الجليد والماء، الماء والبخار).
في المحركات الحرارية (المحركات)، يتم تنفيذ العمل الميكانيكي بمساعدة سوائل العمل - الغاز والبخار.
وتتميز خصائص كل نظام بعدد من الكميات، والتي تسمى عادة بالمعاملات الديناميكية الحرارية. دعونا نفكر في بعضها، باستخدام المفاهيم الحركية الجزيئية المعروفة من مقرر الفيزياء حول الغاز المثالي كمجموعة من الجزيئات ذات الأحجام الصغيرة المتلاشية، وهي في حركة حرارية عشوائية ولا تتفاعل مع بعضها البعض إلا من خلال الاصطدامات.
ينجم الضغط عن تفاعل جزيئات مائع العمل مع السطح ويساوي عددياً القوة المؤثرة لكل وحدة مساحة من سطح الجسم الطبيعي بالنسبة للأخير. وفقا للنظرية الحركية الجزيئية، يتم تحديد ضغط الغاز من خلال العلاقة
أين ن— عدد الجزيئات لكل وحدة حجم؛
ت— كتلة الجزيء؛ من 2- جذر متوسط مربع سرعة الحركة الانتقالية للجزيئات.
في النظام الدولييتم التعبير عن الضغط بوحدات (SI) بالباسكال (1 Pa = 1 N/m2). نظرًا لأن هذه الوحدة صغيرة، فمن الأفضل استخدام 1 كيلو باسكال = 1000 باسكال و1 ميجا باسكال = 10 6 باسكال.
يتم قياس الضغط باستخدام مقاييس الضغط والبارومترات ومقاييس الفراغ.
قياس ضغط السائل والربيع الضغط الزائدوهو الفرق بين الضغط الكلي أو المطلق رقياس الضغط المتوسط والجوي
صأجهزة الصراف الآلي، أي.
تسمى أدوات قياس الضغوط تحت الغلاف الجوي بمقاييس الفراغ؛ قراءاتهم تعطي قيمة الفراغ (أو الفراغ):
أي فائض الضغط الجويفوق المطلق.
تجدر الإشارة إلى أن معلمة الحالة هي الضغط المطلق. وهذا ما يتم تضمينه في المعادلات الديناميكية الحرارية.
درجة حرارةمُسَمًّى الكمية المادية ، تحديد درجة تسخين الجسم.وينشأ مفهوم درجة الحرارة من العبارة التالية: إذا كان نظامان على اتصال حراري، فإذا كانت درجات الحرارة غير متساوية، فسوف يتبادلان الحرارة مع بعضهما البعض، ولكن إذا كانت درجات الحرارة متساوية، فلن يكون هناك تبادل حراري.
من وجهة نظر المفاهيم الحركية الجزيئية، درجة الحرارة هي مقياس لشدة الحركة الحرارية للجزيئات. وترتبط قيمتها العددية بمتوسط الطاقة الحركية لجزيئات المادة:
أين ك— ثابت بولتزمان، يساوي 1.380662.10؟ 23 ي/ك. درجة الحرارة T المحددة بهذه الطريقة تسمى درجة الحرارة المطلقة.
وحدة درجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات هي الكلفن (K)؛ في الممارسة العملية، يتم استخدام درجات مئوية (درجة مئوية) على نطاق واسع. العلاقة بين المطلقة تودرجة مئوية أنادرجات الحرارة لديها النموذج
في الظروف الصناعية والمختبرية، يتم قياس درجة الحرارة باستخدام موازين الحرارة السائلة، والبيرومترات، والمزدوجات الحرارية وغيرها من الأدوات.
حجم معين الخامس— هو الحجم لكل وحدة كتلة من المادة.إذا كان الجسم متجانس الكتلة ميأخذ حجم الخامس،ثم حسب التعريف
الخامس= الخامس / م.
في نظام SI، وحدة الحجم المحدد هي 1 م 3 / كجم. توجد علاقة واضحة بين الحجم النوعي للمادة وكثافتها:
لمقارنة الكميات التي تميز الأنظمة في الحالات المتطابقة، تم تقديم مفهوم "الظروف الفيزيائية الطبيعية":
ص= 760 ملم زئبق = 101.325 كيلو باسكال؛ ت= 273,15 ك.
في مختلف فروع التكنولوجيا و دول مختلفةتقديم ما لديهم، يختلف قليلاً عن تلك المقدمة " الظروف العادية"، على سبيل المثال، "تقني" ( ص= 735.6 ملم زئبق. = 98 كيلو باسكال، ر= 15 درجة مئوية) أو الظروف العادية لتقييم أداء الضاغط ( ص= 101.325 كيلو باسكال، ر= 20؟ج)، إلخ.
إذا كانت جميع المعلمات الديناميكية الحرارية ثابتة في الوقت المناسب ونفس الشيء في جميع نقاط النظام، فسيتم استدعاء حالة النظام هذهمتساوي الربيع.
إذا كانت هناك اختلافات في درجة الحرارة والضغط وغيرها من المعلمات بين نقاط مختلفة في النظام، فهو كذلكعدم اتزان. في مثل هذا النظام، تحت تأثير التدرجات المعلمة، تنشأ تدفقات الحرارة والمواد وغيرها، وتسعى إلى إعادته إلى حالة التوازن. التجربة تظهر ذلك يصل النظام المعزول دائمًا إلى حالة من التوازن بمرور الوقت ولا يمكنه تركها تلقائيًا أبدًا.في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، يتم أخذ أنظمة التوازن فقط بعين الاعتبار.
معادلة الحالة.بالنسبة لنظام ديناميكي حراري متوازن، هناك علاقة وظيفية بين معلمات الحالة، وهو ما يسمى معادلة الحالة. تظهر التجربة أن الحجم ودرجة الحرارة والضغط النوعي لأبسط الأنظمة، وهي الغازات والأبخرة والسوائل، مرتبطة ببعضها البعض المعادلة الحراريةحالة الرأي:
يمكن إعطاء معادلة الحالة بشكل آخر:
توضح هذه المعادلات أنه من بين العوامل الثلاثة الرئيسية التي تحدد حالة النظام، أي منها مستقلة.
لحل المسائل باستخدام الطرق الديناميكية الحرارية، من الضروري للغاية معرفة معادلة الحالة. ومع ذلك، لا يمكن الحصول عليه في إطار الديناميكا الحرارية ويجب العثور عليه إما تجريبيًا أو بطرق الفيزياء الإحصائية. يعتمد الشكل المحدد لمعادلة الحالة على الخصائص الفردية للمادة.
الديناميكا الحرارية هو العلم الذي يدرس الأنماط العامة للعمليات المصحوبة بإطلاق وامتصاص وتحويل الطاقة. تدرس الديناميكا الحرارية الكيميائية التحولات المتبادلة للطاقة الكيميائية وأشكالها الأخرى - الحرارة والضوء والكهرباء وما إلى ذلك، وتضع القوانين الكمية لهذه التحولات، وتتيح أيضًا التنبؤ بثبات المواد في ظل ظروف معينة وقدرتها على الدخول في بعض التفاعلات الكيميائية. يُطلق على موضوع الاعتبار الديناميكي الحراري اسم النظام الديناميكي الحراري أو مجرد نظام.
نظام- أي جسم طبيعي يتكون من عدد كبيرالجزيئات (الوحدات الهيكلية) ويفصلها عن الأجسام الطبيعية الأخرى سطح حدودي حقيقي أو وهمي (واجهة).
حالة النظام هي مجموعة من خصائص النظام التي تسمح لنا بتعريف النظام من وجهة نظر الديناميكا الحرارية.
أنواع الأنظمة الديناميكية الحرارية:
أنا. بطبيعة تبادل المادة والطاقة مع البيئة:
1. النظام المعزول - لا يتبادل المادة أو الطاقة مع البيئة (Δm = 0; ΔE = 0) - الترمس.
2. نظام مغلق- لا يتبادل المادة مع البيئة، لكن يمكنه تبادل الطاقة (دورق مغلق مع الكواشف).
3. نظام مفتوح– يمكنه التبادل مع البيئة سواء المادة أو الطاقة (جسم الإنسان).
ثانيا. حسب حالة التجميع:
1. متجانس – غياب التغيرات المفاجئة في الجسمانية و الخواص الكيميائيةأثناء الانتقال من منطقة في النظام إلى أخرى (تتكون من مرحلة واحدة).
2. غير متجانس - نظامان متجانسان أو أكثر في نظام واحد (يتكون من مرحلتين أو أكثر).
مرحلة- هذا جزء من النظام، متجانس في جميع نقاطه من حيث التركيب والخصائص، ويفصله عن الأجزاء الأخرى من النظام واجهة. مثال على نظام متجانس هو محلول مائي. ولكن إذا كان المحلول مشبعا وفي الجزء السفلي من السفينة هناك بلورات الملح، فإن النظام قيد النظر غير متجانس (هناك حدود المرحلة). مثال آخر على النظام المتجانس هو الماء البسيط، لكن الماء الذي يطفو فيه الجليد هو نظام غير متجانس.
المرحلة الانتقالية- التحولات الطورية (ذوبان الجليد، غليان الماء).
عملية الديناميكا الحرارية- انتقال النظام الديناميكي الحراري من حالة إلى أخرى، وهو ما يرتبط دائمًا بخلل في توازن النظام.
تصنيف العمليات الديناميكية الحرارية :
7. متساوي الحرارة – درجة حرارة ثابتة – T = const
8. متساوي الضغط – الضغط المستمر – p = const
9. Isochoric - حجم ثابت - V = const
الحالة القياسيةهي حالة النظام، والتي تم اختيارها بشكل مشروط كمعيار للمقارنة.
ل مرحلة الغاز- هذه هي حالة المادة النقية كيميائيًا في الطور الغازي تحت ضغط قياسي قدره 100 كيلو باسكال (حتى عام 1982 - 1 جو قياسي، 101325 باسكال، 760 ملم زئبق)، مما يعني وجود خصائص الغاز المثالي.
ل مرحلة نقية، خليط أو مذيب في سائل أو صلب حالة التجميع- هذه هي حالة المادة النقية كيميائيا في الطور السائل أو الصلب تحت الضغط القياسي.
ل حل- هذه هي حالة المادة المذابة ذات المولالية القياسية 1 مول/كجم، تحت ضغط قياسي أو تركيز قياسي، بناءً على الشروط التي يكون فيها المحلول مخففًا بشكل لا نهائي.
ل مادة نقية كيميائيا- هذه مادة في حالة تجميع محددة بوضوح تحت ضغط قياسي محدد بوضوح، ولكن تعسفي.
في تحديد الحالة القياسية درجة الحرارة القياسية غير متضمنةعلى الرغم من أنهم يتحدثون كثيرًا عن درجة الحرارة القياسية وهي 25 درجة مئوية (298.15 كلفن).
2.2. المفاهيم الأساسية للديناميكا الحرارية: الطاقة الداخلية، الشغل، الحرارة
الطاقة الداخلية يو- إجمالي إمدادات الطاقة، بما في ذلك حركة الجزيئات، واهتزازات الروابط، وحركة الإلكترونات، والنوى، وما إلى ذلك، أي. جميع أنواع الطاقة باستثناء الطاقة الحركية والطاقة الكامنةالأنظمة ككل.
من المستحيل تحديد قيمة الطاقة الداخلية لأي نظام، ولكن من الممكن تحديد التغير في الطاقة الداخلية ΔU الذي يحدث في عملية معينة أثناء انتقال النظام من حالة (مع طاقة U 1) إلى أخرى (مع الطاقة U 2):
ΔU يعتمد على نوع المادة المعنية وكميتها وظروف وجودها.
تختلف الطاقة الداخلية الإجمالية لنواتج التفاعل عن الطاقة الداخلية الإجمالية للمواد الأولية، وذلك لأن أثناء التفاعل، تحدث إعادة هيكلة الأغلفة الإلكترونية لذرات الجزيئات المتفاعلة.
صفحة 1
النظام الديناميكي الحراري، مثل أي نظام آخر النظام المادي، لديه كمية معينة من الطاقة، والتي تسمى عادة الطاقة الداخلية للنظام.
يسمى النظام الديناميكي الحراري معزولًا إذا لم يتمكن من تبادل الطاقة أو المادة مع البيئة الخارجية. مثال على هذا النظام هو الغاز المحاط بوعاء ذو حجم ثابت. يُسمى النظام الديناميكي الحراري بأنه ثابت الحرارة إذا لم يتمكن من تبادل الطاقة مع الأنظمة الأخرى عن طريق التبادل الحراري.
النظام الديناميكي الحراري عبارة عن مجموعة من الأجسام التي يمكنها، بدرجة أو بأخرى، تبادل الطاقة والمادة فيما بينها وبين البيئة.
تنقسم الأنظمة الديناميكية الحرارية إلى أنظمة مغلقة لا تتبادل المادة مع الأنظمة الأخرى، ومفتوحة تتبادل المادة والطاقة مع الأنظمة الأخرى. في الحالات التي لا يتبادل فيها النظام الطاقة والمادة مع الأنظمة الأخرى، يسمى معزولًا، وعندما لا يكون هناك تبادل حراري، يسمى النظام أدياباتي.
يمكن أن تتكون الأنظمة الديناميكية الحرارية من خليط من المواد النقية. يسمى الخليط (المحلول) متجانسًا عندما يكون التركيب الكيميائي والخواص الفيزيائية في أي جزيئات صغيرة متماثلة أو تتغير باستمرار من نقطة في النظام إلى أخرى. تكون الكثافة والضغط ودرجة الحرارة للخليط المتجانس متطابقة عند أي نقطة. مثال على النظام المتجانس هو حجم معين من الماء، يكون تركيبه الكيميائي واحدا، ولكن الخصائص الفيزيائية تختلف من نقطة إلى أخرى.
يسمى النظام الديناميكي الحراري الذي يحتوي على نسبة كمية معينة من المكونات نظامًا فيزيائيًا كيميائيًا واحدًا.
الأنظمة الديناميكية الحرارية (الأجسام العيانية)، إلى جانب الطاقة الميكانيكية E، لديها أيضًا طاقة داخلية U، والتي تعتمد على درجة الحرارة والحجم والضغط وغيرها من المعلمات الديناميكية الحرارية.
يسمى النظام الديناميكي الحراري غير معزول، أو مفتوح النهاية، إذا كان يمكنه استقبال الحرارة أو إطلاقها إلى البيئة وإنتاج العمل، و بيئة خارجية- القيام بالعمل على النظام. يكون النظام معزولاً، أو مغلقاً، إذا لم يتبادل الحرارة مع البيئة، ولا يؤثر تغير الضغط داخل النظام على البيئة ولا تستطيع الأخيرة أداء العمل على النظام.
تتكون الأنظمة الديناميكية الحرارية من عدد كبير إحصائيًا من الجسيمات.
في ظل ظروف خارجية معينة، يصل النظام الديناميكي الحراري (أو النظام المعزول) إلى حالة تتميز بثبات معلماته مع مرور الوقت وغياب تدفقات المادة والحرارة في النظام. تسمى حالة النظام هذه بالتوازن أو حالة التوازن. ولا يمكن للنظام الخروج من هذه الحالة تلقائيًا. حالة النظام الذي لا يوجد فيه توازن تسمى عدم التوازن. تسمى عملية الانتقال التدريجي للنظام من حالة عدم التوازن الناتجة عن المؤثرات الخارجية إلى حالة التوازن بالاسترخاء، وتسمى الفترة الزمنية لعودة النظام إلى حالة التوازن بوقت الاسترخاء.
في هذه الحالة، يقوم النظام الديناميكي الحراري بعمل التوسع عن طريق تقليل الطاقة الداخلية للنظام.
النظام الديناميكي الحراري هو موضوع الدراسة في الديناميكا الحرارية وهو عبارة عن مجموعة من الأجسام التي تتفاعل بقوة مع بعضها البعض ومع البيئة وتتبادل المادة معها.
يصل النظام الديناميكي الحراري، الذي يُترك لنفسه في ظل ظروف خارجية ثابتة، إلى حالة من التوازن تتميز بثبات جميع المعلمات وغياب الحركات العيانية. تسمى حالة النظام هذه بحالة التوازن الديناميكي الحراري.
يتميز النظام الديناميكي الحراري بعدد محدود من المتغيرات المستقلة - الكميات العيانية تسمى المعلمات الديناميكية الحرارية. إحدى المعلمات العيانية المستقلة للنظام الديناميكي الحراري، والتي تميزه عن النظام الميكانيكي، هي درجة الحرارة كمقياس لشدة الحركة الحرارية. يمكن أن تتغير درجة حرارة الجسم بسبب التبادل الحراري مع البيئة وعمل مصادر الحرارة ونتيجة لعملية التشوه نفسها. تم إنشاء العلاقة بين التشوه ودرجة الحرارة باستخدام الديناميكا الحرارية.
