کمیت مایکروسکوپیک و میکروسکوپیک

کمیت مایکروسکوپیک و میکروسکوپیک - نسخه‌ی قابل چاپ

+- تالار گفتگوی کیش تک/ kishtech forum (http://forum.kishtech.ir)
+-- انجمن: پردیس فناوری کیش (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=1)
+--- انجمن: مهندسی مکانیک (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=205)
+--- موضوع: کمیت مایکروسکوپیک و میکروسکوپیک (/showthread.php?tid=44604)

کمیت مایکروسکوپیک و میکروسکوپیک - amirhossein toranjian - 02-09-2020

کمیت های ماکروسکوپیکی و میکروسکوپیکی مواد

مطالعه ی هر شاخه ی خاص از فیزیک با جدا کردن قسمت محدودی از ماده از محیط انجام می شود که قسمت انتخاب شده را سیستم (دستگاه) می نامند. همچنین به هر چه که در خارج آن محدوده (سیستم) قرار دارد و در نحوه ی رفتار آن نقش مستقیم دارد (یعنی می تواند با آن تبادل انرژی کند) محیط می گویند.

وقتی یک سیستم خاص انتخاب شد، قدم بعدی توصیف آن بر حسب کمیت هایی است که به رفتار سیستم مربوط می شود؛ به طور کلی در فیزیک برای بررسی هر ماده دو دیدگاه وجود دارد: دیدگاه ماکروسکوپیکی و دیدگاه میکروسکوپیکی.

[تصویر: 5459230581482081192401381821217050177151.jpg]

بررسی های تجربی و نظری نشان داده اند که رفتار ماده را می توان بر حسب کمیت هایی چون فشار، دما، گرما و ... توضیح داد. این کمیت ها به وضعیت ماده در مقیاس بزرگ بستگی دارد و به جزئیات رفتار تک تک مولکول های ماده وابسته نیستند.

این موضوع را می توان در این مثال مشاهده کرد که دمای یک لیوان آب که در دمای اتاق به تعادل گرمایی رسیده است، ثابت می ماند در حالی که مولکول های تشکیل دهنده ی آب پیوسته به اطراف حرکت می کنند و سرعت شان تغییر می کند.

کمیت هایی که وضیعت ماده را در مقیاس بزرگ توصیف می کنند، کمیت های ماکروسکوپیک نامیده می شوند.

علم ترمودینامیک رفتار ماده را بر حسب کمیت های ماکروسکوپیک توصیف می کند.

مثال:

اگر به ماده ای به جرم m و گرمای ویژه ی c مقدار Q گرما بدهیم، دمای آن با اندازه ی T=Q/mc[font=Arial]∆ افزایش می یابد. در این مثال ما برای توضیح دادن چگونگی رفتار ماده از کمیت های [/font]

ماکروسکوپیک:

دما، گرما و گرمای ویژه استفاده کرده ایم یعنی برای توصیف رفتار ماده، علم ترمودینامیک را به کار برده ایم.

از جمله کمیت هایی ماکروسکوپیکی دیگر می توان به فشار و حجم اشاره کرد.

کمیت های ماکروسکوپیک عموما دارای ویژگی های مشترکی هستند که عبارتند از:

1.  هیچ گونه فرض خاصی درباره ی ساختار ماده ندارند.
2.  تعداد آن ها کم است.
3. آن را کم و بیش به طور مستقیم با حواس خود درک می کنیم.
4.  عموماً می توان آن را مستقیم اندازه گرفت.

به طور خلاصه توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت است از:

مشخص کردن چند ویژگی اساسی و قابل اندازه گیری آن سیستم.

در توصیف میکروسکوپیک در یک سیستم، تعداد بسیار زیادی مولکول قرار دارد که هر مولکول می تواند انرژی خاصی داشته باشد (همان طور که در مثال آب گفتیم چون مولکول ها پیوسته در حرکت هستند و سرعت شان متغیر است انرژی مولکول در حال تغیر است) بنابراین فرض می شود که حالت تعادل سیستم حالتی است که احتمال آن بیشینه است.

بنابراین توصیف میکروسکوپیکی یک سیستم شامل مشخصات زیر است:

1. فرض هایی درباره ی ساختار ماده مثلا مولکول ها می شود.

2. کمیت های زیادی باید مشخص شود.

3. کمیت های مشخص شده توسط حواس ما درک نمی شود.

4. این کمیت ها را نمی توان اندازه گرفت.

اگر چه ممکن است این طور به نظر برسد که این دو دیدگاه با هم متفاوت اند اما رابطه ای بین آن ها وجود دارد؛ وقتی هر دو دیدگاه در مورد یک سیستم به کار روند، باید نتیجه ی یکسانی حاصل شود.

آن رابطه این است که در واقع میانگین های زمانی تعداد زیادی از کمیت های میکروسکوپیکی در یک زمان معین، یکی از کمیت های ماکروسکوپیکی سیستم است.

مثلا کمیت فشار (F) عبارت است از میانگین تغییرات نیروی (F) ناشی از برخوردهای مولکولی در واحد مساحت (A) که فشار کمیت ماکروسکوپیکی و نیرو و مساحت کمیت های میکروسکوپیکی سیستم هستند.

تفاوت اصلی ماکروسکوپی و میکروسکوپی در این است که اصطلاح ماکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند در حالی که اصطلاح میکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که برای چشم غیر مسلح نامرئی هستند.

اصطلاحات ماکروسکوپی و میکروسکوپی به دو مقیاس مختلف اشاره دارد که در تعیین اندازه ترکیبات مختلف مفید هستند. مواد ماکروسکوپی به اندازه کافی بزرگ هستند که با چشم غیر مسلح و بدون هیچ ابزار بزرگنمایی قابل مشاهده هستند. در مقابل ، مواد میکروسکوپی بسیار کوچک هستند که به اندازه کافی بزرگ نیستند که با چشم غیر مسلح دیده شوند. بنابراین ، برای بررسی این مواد به یک ابزار ذره بین مانند میکروسکوپ نیاز داریم.
فهرست
1. بررسی اجمالی و تفاوت کلیدی 2. ماکروسکوپی چیست 3. میکروسکوپی چیست؟ مقایسه جانبی با یکدیگر - ماکروسکوپی در مقابل میکروسکوپی در فرم جداول 5. خلاصه
ماکروسکوپی چیست؟
اصطلاح ماکروسکوپی به موادی گفته می شود که به اندازه کافی بزرگ هستند که با چشم غیر مسلح قابل دیدن هستند. این بدان معناست که می توانیم بدون داشتن ذره بین این مواد را مشاهده کنیم. به دلیل همین اندازه واحدهای اندازه گیری که می توانیم برای اندازه گیری ابعاد این مواد استفاده کنیم میلی متر ، سانتی متر ، کیلومتر و غیره است.
علاوه بر این ، به عنوان نمونه ای از مواد در مقیاس ماکروسکوپی ، می توانیم از هر ماده ای که از یک رشته مو به یک وسیله نقلیه بزرگ می بینیم ، نام ببریم.
میکروسکوپی چیست؟
اصطلاح میکروسکوپی به موادی که بسیار اندک هستند اشاره دارد ، بنابراین ، بدون دستگاه ذره بین نمی توانیم آنها را مشاهده کنیم. بنابراین برای رعایت این مواد باید از ابزارهای نوری مانند ذره بین ، میکروسکوپ نوری ، میکروسکوپ الکترونی و… استفاده کنیم. این مقیاس بین مقیاس ماکروسکوپی و مقیاس کوانتومی است.
از این رو واحدهای اندازه گیری این مقیاس میکرومتر ، نانومتر و ... به عنوان نمونه هایی از مواد در مقیاس میکروسکوپی ، می توانیم به میکروارگانیسم هایی از قبیل باکتری ، قارچ ، ویروس و غیره بدهیم.
تفاوت بین ماکروسکوپی و میکروسکوپی چیست؟
اصطلاح ماکروسکوپی به موادی گفته می شود که به اندازه کافی بزرگ هستند که توسط چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند در حالی که اصطلاح میکروسکوپی به موادی گفته می شود که بسیار اندک هستند و بدون دستگاه ذره بین نمی توانیم آنها را مشاهده کنیم. بنابراین ، این تفاوت اساسی بین ماکروسکوپی و میکروسکوپی است. به همین دلیل می توان ابعاد مواد ماکروسکوپی را در واحد هایی مانند میلی متر ، سانتی متر ، کیلومتر و غیره اندازه گیری کرد در حالی که می توان ابعاد مواد میکروسکوپی را در واحدهایی مانند میکرومتر و نانومتر اندازه گیری کرد. همچنین ، یکی دیگر از تفاوت های مهم بین مواد ماکروسکوپی و میکروسکوپی در این است که برای مشاهده مواد ماکروسکوپی نیازی به هیچ ابزار نوری ذره بین نیست در حالی که برای مشاهده مواد میکروسکوپی به ابزارهای نوری مانند لنزها ، میکروسکوپ سبک ، میکروسکوپ الکترونی احتیاج داریم.
خلاصه - ماکروسکوپی در مقابل میکروسکوپی
اصطلاحات ماکروسکوپی و میکروسکوپی به دو مقیاس مختلف اشاره دارد که ما مواد مختلف را با توجه به اندازه و دید آنها دسته بندی می کنیم. تفاوت اصلی ماکروسکوپی و میکروسکوپی در این است که اصطلاح ماکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند در حالی که اصطلاح میکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که برای چشم غیر مسلح نامرئی هستند.

ارتباط کمیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک

کمیتهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک هر سیستمی باید باهم ارتباط داشته باشند. زیرا آنها از دو راه مختلف ، وضعیت یکسانی را توصیف می‌کنند. بویژه ، باید بدانیم که کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک بیان کینم.
بعنوان مثال فشار یک گاز، عملا با استفاده از فشارسنج اندازه‌ گیری می‌شود، اما از دیدگاه میکروسکوپیک ، فشار مربوط است به آهنگ متوسط انتقال اندازه حرکت ملکولهای گاز که به واحد سطح فشارسنج برخورد می‌کنند. اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، قادر خواهیم بود قوانین ترمودینامیک را بطور کمی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم.
ارتباط ترمودینامیک با مکانیک آماری
توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعی‌تر مکانیک آماری، یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک است. علاوه بر این، بنیادی‌تر بودن نکات مکانیک آماری، به ما امکان می‌دهد که اصول عادی ترمودینامیک را تا حد قابل توجهی تکمیل کنیم.

چشم انداز ترمودینامیک
توصیف مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه‌ گیری آن ، که کم و بیش توسط حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیک است. این توصیفها نقطه شروع تمام بررسیها در تمام شاخه‌های فیزیک هستند. اما در ترمودینامیک توجه ‌ما به داخل سیستم معطوف می‌شود، بنابراین دیدگاه ماکروسکوپی را اختیار می‌کنیم و بر آن دسته از کمیات ماکروسکوپی تأکید می‌کنیم که رابطه‌ای با حالت داخلی سیستم داشته باشند.

تعیین کمیتهایی که برای توصیف این حالت داخلی لازم و کافی هستند، به عهده آزمایش است. آن کمیتهای ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط هستند، مختصات ترمودینامیک خوانده می‌شوند. این مختصات ، برای تعیین انرژی داخلی سیستم بکار می‌آیند. هدف ترمودینامیک ، پیدا کردن روابط کلی این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند. سیستمی را که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم ترمودینامیکی می‌گویند.

ترموديناميک و عالم
سي.پي. اسنو زماني گفت که ندانستن قانون دوم ترموديناميک مانند اين است که از شکسپير هرگز چيزي نخوانده باشيم. اما در حالي که بسياري از مردم قانون اول را که مي گويد«انرژي نه ايجاد مي شود و نه از بين مي رود»، به خوبي درک مي کنند، اندک اند کساني که با قانون دوم که مي گويد« آنتروپي فقط افزايش مي يابد» ، آشنايي دارند. به هر حال، آنتروپي چيست و چرا بايد افزايش يابد؟ ما چه بخواهيم چگونگي کارکرد دستگاهي به سادگي يخچال را بفهميم و چه بخواهيم به سرنوشت عالم پي ببريم، نخست بايد مفاهيم انرژي و آنتروپي را درک کنيم.
در کتاب ترموديناميک و عالم، مارتين و اينگه گلدشتاين قوانين ترموديناميک را براي علاقه مندان و نوآموزان علم بيان مي کنند. آنها نخست تاريخچِه ترموديناميک را به سرعت بيان مي کنند سپس نشان مي دهند که اين قوانين چگونه از نظريه اتمي ماده پيروي مي کنند و از کابردشان در پديده هاي گوناگوني مانند تابش نور از اجسام داغ، تشکيل الماس از گرافيت، حمل اکسيژن به وسيله خون، و تاريخچه زمين نمونه هايي مي آورند. نويسندگان نتيجه مي گيرند که قوانين انرژي حتي اگر همه چيز را درباره هر چيزي نگويند، در همه جا حضور دارند.
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- سادی کارنوت 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- رادولف جی کلاوسیوس احتمالا به عنوان اولین کسی که به وجود دو قانون اساسی ترمودینامیک: قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک ظی برد.
۱۸۶۵- کلاوسیوس 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- جوزیا ویلیارد گیبس 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.
کاراتئودوری ساختار جدیدی از ترمودینامیک را بر مبنای جدیدی که کاملا فرم ریاضی داشت منتشر نمود.