هدف ترموديناميك

1. هدف ترموديناميك عبارتست از جستجوي روابط بين متغيرهاي ترموديناميكي (كميت‌هاي ماكروسكوپي) با استفاده از اصول ترموديناميك. در ترموديناميك آنچه كه مورد مطالعه است يك سيستم بصورت مجموعه‌اي از مواد مي‌باشد كه تحول فيزيكي، شيميايي، بيولوژيكي مي‌يابند و نتيجه‌گيري‌هاي ما در مورد وضعيت ترموديناميكي آن سيستم براساس اندازه‌گيري گرمايي كه از محيط خارج به سيستم يا از سيستم به محيط خارج جريان مي‌يابد و همچنين اندازه‌گيري مقدار كاري كه سيستم انجام مي‌دهد يا بر روي سيستم انجام مي‌گيرد قرار دارد.

2. سيستم ترموديناميكي منظور از سيستم ترموديناميك جسم يا مجموعه‌اي از اجسام با جرم معين و سطح مرزي مشخص است آنچه كه خارج از اين سيستم قرار دارد بنام خارج از سيستم معروف است. سيستمي كه در آن تمام نقاط داراي تركيب شيميايي و خواص فيزيكي واحدي است. يا بعبارت ديگر از يك فاز تشكيل شده است. سيستم همگن ممكن است از يك جسم تشكيل شده باشد مانند آب و يا ممكن است متشكل از چندين جسم باشد كه فاز واحدي را تشكيل مي‌دهند مانند مخلوط همگن گازها، آلياژها. وقتي سيستم از چندين قسمت همگن با خواص مختلف تشكيل مي‌شود هر يك از قسمت‌ها را يك فاز مي‌نامند. مثلاً مخلوط آب و يخ از دو فاز مايع و جامد تشكيل شده است. سيستم همگن

3. تعادل سيستم يك سيستم هنگامي در حال تعادل است كه هيچگونه تغييري در آن ايجاد نشود و در مورد جامدات تعادل مكانيكي بدان معني است كه مجموع نيروهاي وارده بر سيستم صفر است. در مورد مايعات و گازها هنگام تعادل فشار در هر نقطه در داخل سيستم يكسان است. هنگام تعادل حرارتي دماي سيستم در تمام نقاط آن يكي است. حالت هر سيستم توسط پارامترهايي مانند فشار، حجم، دما مشخص مي‌شود. وقتي كه يك يا چند پارامتر سيستم تغيير يابد مي‌گوييم كه سيستم تحول يافته است. مثلاً گازي را متراكم مي‌كنند فشار درون افزايش مي‌يابد و حجم آن كم مي‌شود. در اينصورت گاز از حالت اول به حالت دوم رسيده است. اگر تحول در حجم ثابت باشد آنرا ايزوكر و اگر در فشار ثابت باشد آنرا ايزوبار و اگر در دماي ثابت باشد آن را ايزوترم مي‌نامند. تحول سيستم

4. انرژي گرمايي و مكانيكي معادل مكانيكي گرما اشكالي از انرژي كه با آن سر و كار داريم انرژي گرمايي (حرارتي) و انرژي مكانيكي مي‌باشد. انرژي گرمايي معمولاً بصورت عاملي تصور مي‌شود كه توسط مقدار تغييري كه در دماي مقدار معيني از يك جسم ايجاد مي‌نمايد اندازه گرفته مي‌شود. واحد سنجش گرما كالري مي‌باشد. انرژي مكانيكي نيز بصورت انرژي پتانسيلي تصور مي‌گردد كه هنگام بالا آوردن يك وزنه در مقابل نيروي جاذبه زمين در آن وزنه ذخيره مي‌شود. يك چنين سيستمي مي‌تواند مولد انرژي مكانيكي باشد. هر گاه وزنه به روش مناسبي پايين آورده شود. در اينصورت مقدار كاهش انرژي پتانسيل وزنه به شكل انرژي مكانيكي يا بطور كلي كار ظاهر مي‌گردد و واحد آن ژول مي‌باشد.

5. گرما ظرفي محتوي مقدار معيني از آب (m1 گرم) به دماي T1 را در نظر مي‌گيريم و در آن قطعه‌اي از يك فلز به دماي T2 و به جرم m2 وارد مي‌كنيم با اين فرض كه: 1- سیستم از محيط خارج كاملاً مجزا است. 2- تغيير دماي ظرف قابل اغماض است. 3- هيچ كدام از اجسام مورد آزمايش ظرف تغيير حالت فيزيكي نمي‌دهند. 4- فعل و انفعال شيميايي بين فلز و آب صورت نمي‌گيرد. ملاحظه مي‌شود كه دماي آب بالارفته و بعد از مدتي ثابت مي‌ماند و برعكس دماي فلز پايين آمده و بالاخره به يك دماي ثابت مي‌رسد كه در آن تعادل حرارتي برقرار مي‌گردد. اين دماي ثابت را T مي‌گيريم رابطه بين T1 و T2 و T را بوسيله معادله زير مي‌توان نشان داد: m2C2 (T2 T) = m1C1 (T  T1)

6. كه در آن C1 تابع مقدار آب و C2 تابع نوع فلز و مقدار آنست و آنها را ظرفيت گرمايي مي‌نامند. ظرفيت گرمايي يك گرم از هر جسم را گرماي ويژه مي‌نامند و با C نشان مي‌دهند. هر يك از C2 (T2 T) و C1 (T  T1) نماينده كميتي است كه آنها را گرما مي‌نامند و با q نشان مي‌دهند. اگر جرم آب يك گرم و اختلاف T1 و T يك درجه فرض شود خواهيم داشت: q = C  1 يعني گرماي ويژه يك جسم عبارت است از مقدار گرمايي كه دماي يك گرم از آن جسم را يك درجه سانتيگراد بالا ببرد. تجربه نشان مي‌دهد كه گرماي ويژه اجسام تا حدودي تابع دما است در نتيجه انتخاب دماي T1 جهت نشان دادن افزايش يك درجه ضروري است. اين دما براي آب oC 5/14 تعيين شده. اگر گرماي ويژه آب در اين درجه يك فرض شود خواهيم داشت: q = 1 اين مقدار گرما را گرماي واحد مي‌نامند و آنرا كالري نيز مي‌نامند.

7. كالري: يك كالري مقدار گرمايي است كه دماي يك گرم آب را از oC 5/14 به oC 5/15 افزايش دهد. گرماي ويژه را براي يك دماي مشخص وقتي مي‌توان به دقت تعريف كرد كه تغيير دما و گرماي مبادله شده هر دو بينهايت كوچك باشند. در اينصورت مي‌توان نوشت:

8. واحد كار ژول و با J نمايش داده شده و به اندازه 107 ارگ است. هر ژول برابر با آن مقدار كالري است كه از انتقال نيرويي برابر با يك نيوتن به اندازه يك متر در جهت تأثير آن نيرو حاصل مي‌گردد. بعلاوه چون نيروي يك نيوتني برابر با كيلوگرم متر بر مجذور ثانيه معرفي مي‌شود لذا ديمانسيون ژول بـرابر خواهد بود. امروزه ژول به عنوان واحدي جهت اندازه‌گيري انرژي‌هاي گرمايي و مكانيكي به كار مي‌رود. مطالعات ژول روي معادل مكانيكي حرارت به اين ترتيب بود كه دستگاهي شامل وزنه‌اي سقوط كننده متصل به يك رديف پره مي‌گرديد. اين پره‌ها در داخل ظرفي عايق پر از آب قرار داشته و با سقوط وزنه به چرخش در مي‌آمدند. وزنه‌هاي مختلفي كه هر يك در سقوط خود فواصل مختلفي را طي مي‌كردند بكار برده مي‌شد. و در هر آزمايش مقدار افزايش دماي آب موجود در ظرف اندازه‌گيري مي‌شد.

9. تجربيات ژول نشان داد كه رابطه مستقيمي بين مقدار انرژي مكانيكي از دست داده شده به توسط وزنه‌اي سقوط كننده و افزايش انرژي گرمايي آب وجود دارد. در واقع مي‌توان گفت كه كاهش انرژي مكانيكي معادل با حرارت جذب شده توسط آب مي‌باشد و رابطه زیر بين آنها برقرار است: 1cal = 4.18 J رابطه مذكور به اين معني است كه شكل انرژي از گرمايي به مكانيكي و برعكس قابل تبديل است. مقدار گرمايي كه به سيستم انتقال مي‌يابد مي‌تواند توسط يك منبع گرمايي تأمين شود و نيز مقدار گرماي انتقال يافته از يك سيستم به خارج مي‌تواند جذب يك منبع گرمايي شود. يك منبع گرمايي ساده كه نيازي به دماسنج ندارد يك گرماسنج يخي مي‌باشد (كالريمتر) و اگر گرما از يك منبع خارجي به گرماسنج منتقل شود در اينصورت مقداري از يخ ذوب مي‌شود و حجم كل آب و يخ موجود در داخل گرماسنج كاهش مي‌يابد و عقربه مشخص كننده حجم كل كاهش را نشان مي‌دهد.

10. بدين ترتيب مي‌توان اين كاهش حجم را بعنوان معياري براي تعيين مقدار گرماي جذب شده توسط گرماسنج به كار برد. چنين دستگاهي كه مي‌تواند از مواد ديگري غير از آب و يخ نيز ساخته شود. در واقع وسيله اندازه‌گيري انرژي گرمايي را بدست مي‌دهد. گرماسنجي كه در عمل براي اندازه‌گيري انرژي گرمايي بكار مي‌رود از نوع گرماسنج در دماي ثابت مي‌باشد. بدين ترتيب كه وقتي در طي تحول مورد مطالعه گرما به گرماسنج منتقل مي‌شود و يا گرما از آن بيرون مي‌رود. در اين صورت مقداري گرما از گرماسنج گرفته مي‌شود و يا به آن داده مي‌شود تا دماي آن ثابت بماند. سپس مقدار گرماي گرفته شده يا داده شده به گرماسنج توسط ابزارهاي الكتريكي اندازه‌گيري مي‌شود. براي نشان دادن افزايش انرژي منبع گرمايي بكار مي‌رود: Etherm.res  براي نشان دادن افزايش انرژي منبع مكانيكي بكار مي‌رود: Emech.res 

11. Thermodynamics Vs. Kinetics • Chemical Thermodynamics - Study of Chemical reaction energetics • i.e., CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + U Thermodynamics Domain (State) KineticsDomain (Path) Initial Final Understanding a chemical reaction and its energetic properties lead to the spontaneity prediction of the reaction.

12. System: the region of interest, of sufficient size that average properties like temperature are well-defined; to be distinguished from the environment (i.e., the rest of the universe) • Open system: exchange of energy and matter • Closed system: exchange of energy but not matter • Isolated system: can exchange neither energy nor matter

13. Thermodynamic State Properties • Extensive: These variables or properties depend on the amount of material present (e.g. mass or volume). • The ratio of any two extensive variables is always an intensive variable. V/n = molar volume, • Intensive: These variables or properties DO NOT depend on the amount of material (e.g. density, pressure, and temperature).

14. Phase: a physically homogeneous and mechanically separable part of the system, e.g. a vapor, liquid, or mineral • A system may be homogeneous (one phase) or heterogeneous (multiple phases).