17-08-2020, 09:03 PM
کار
مقدار کاری که یک نیرو طی جابه‌جایی x
انجام می‌دهد به صورت زیر است.
W=F△x⇔W=∫fiFdx
![[تصویر: thermodynamics-1.png]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/08/thermodynamics-1.png)
شکل (۲): مطابق با رابطه نیرو و فشار، کاری که این نیرو در واحد حجم انجام می‌دهد برابر با است. در واقع این فشار (نیرو) باعث جابه‌جایی سطح (A) پیستون به اندازه dx می‌شود.
مطابق با شکل فوق، با استفاده از تعریف فشار (نیرو وارد بر سطح P=FA
) و در نظر گرفتن (A.x≡V
) داریم:
W=∫fiFdx=∫fiPAdx=∫fiPdV
از رابطه فوق مشخص است که سطح زیر منحنی در یک نمودار فشار – حجم برابر با کار انجام شده است. در شکل (3) با کاهش یا افزایش ساچمه‌های فلزی می‌توانیم بر وزن ظرف حاوی ساچمه‌ها تاثیر گذاشته و در نتیجه فشاری که بر سطح پیستون وارد می‌شود را کنترل کرد. با این کار حجم محفظه داخلی پیستون تغییر کرده و طبق رابطه فوق، کار انجام می‌شود.
![[تصویر: thermodynamics-5.png]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/08/thermodynamics-5.png)
شکل (۳): شماتیکی از یک پیستون که فرآیندی شبه‌استاتیک را طی می‌کند. با تغییر در تعداد ساچمه‌های فلزی می‌توانیم بر تغییرات حجم پیستون کنترل داشته باشیم.
در خصوص علامت کار انجام شده، در بخش فرآیند هم‌فشار توضیحات لازم را ارائه می‌کنیم. از قوانین پایستگی انرژی می‌دانیم که کار انجام شده توسط محیط روی سیستم یا سیستم روی محیط از نظر قدرمطلق برابر است و تنها در یک علامت منفی تفاوت دارند. شکل (4) نمودار فشار-حجم را برای فرآیندهای مختلفی نشان می‌دهد. علامت کار در این شکل‌ها مربوط به کار انجام شده توسط سیستم روی محیط است و کار انجام شده توسط محیط روی سیستم قرینه این مقدار است.
![[تصویر: thermodynamics-7.png]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/08/thermodynamics-7.png)
شکل (۴): توسط فرآیندهای مختلفی می‌توان از نقطه از حجم i به حجم f رسید. در فرآیندهای انبساطی کاری که سیستم روی محیط انجام می‌دهد مثبت و در فرآیندهای تراکمی منفی است. دقت داشته باشید که اگر کاری که محیط روی سیستم انجام می‌دهد را در نظر بگیریم، باید آن را با علامت قرینه به در محاسبات وارد کنیم.
فرآیندهای ترمودینامیکی
همان‌طور که در مقدمه متن بیان کردیم، معروف‌ترین فرآیندهایی که می‌توانیم آن‌ها به صورت شبه‌استاتیک بررسی کرده و برای آن‌ها معادله حالت بنویسیم، چهار فرآیند زیر است. شایان ذکر است که این چهار فرآیند در صنعت از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند.
[list]
[*]فرآیند هم‌حجم
[*]فرآیند هم‌فشار
[*]فرآیند هم‌دما
[*]فرآیند بی‌دررو (آدیاباتیک)
[/list]در ادامه به بررسی فرآیندهای ترمودینامیکی معرفی شده در فوق می‌پردازیم.
فرآیند هم حجم
همان‌طور که از نام این فرآیند مشخص است، در طول انجام فرآیند، حجم سیستم ثابت باقی می‌ماند. از رابطه کار مشخص است که در صورت ثابت بودن حجم، سیستم کاری روی محیط (یا محیط روی سیستم) انجام نمی‌دهد.
W=∫00PdV=0
از آنجا که فرآیند هم‌حجم فرآیندی شبه‌استاتیک است، در هر لحظه می‌توان برای آن معادله حالت را به کار برد. از نوشتن معادله حالت برای دو حالت از فرآیند هم‌حجم داریم:
PV=nRT→V=nRTP⇒T1P1=T2P2
رابطه فوق در سال 1802 میلادی توسط «ژوزف لویس گی‌لوساک» (Joseph Louis Gay-Lussac) بررسی شد. از قانون اول ترمودینامیک برای یک فرآیند هم‌حجم نتیجه می‌گیریم:
△U=Q+W=Q+0=Q
رابطه فوق بیانگر این است که سیستم (گاز) در فرآیند هم‌حجم تنها با محیط مبادله گرمایی انجام می‌دهد. پس تغییر انرژی درونی گاز، فقط برابر با گرمای مبادله شده با محیط است.
نمودار فرآیند هم حجم
حال به بررسی ۳ نمودار مختلف فرآیند هم‌حجم می‌پردازیم. در شکل‌های فوق نمودار حجم-دما و فشار-حجم برای فرآیند هم‌حجم رسم شده‌اند. در این نمودارها دما و فشار افزایش پیدا کرده است. در صورت افزایش دما و فشار یک سیستم در فرآیند هم حجم واضح است که سیستم از محیط گرما گرفته است. اگر سیستم گرمایش را به محیط می‌داد فشار و دمای آن کاهش پیدا می‌کرد.
![[تصویر: thermodynamics-8.png]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/08/thermodynamics-8.png)
شکل (۵): نمودارهای حجم-دما و فشار-حجم برای یک فرآیند هم‌حجم که دما و فشار در آن افزایش پیدا می‌کند.
به عنوان مثال، فرآیند پخت غذا در زودپز را می‌توان فرآیند هم‌حجم به حساب آورد. از آنجایی که حجم درون زودپز تغییری نمی‌کند و در آن محکم است، زودپز با گرفتن گرما از محیط (شعله آتش) باعث افزایش خیلی زیاد دما و فشار می‌شود و در نتیجه غذا سریع‌تر می‌پزد. سوپاپ زودپز نیز از این جهت طراحی شده که به هنگام افزایش بیش‌از حد فشار، از ترکیدن زودپز جلوگیری کند. حال به نظر شما به چه علت روی قوطی‌های اسپری، علامت هشدار دور از گرما و یا هشدار در آتش انداختن ثبت شده است؟
![[تصویر: fire.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/08/fire.jpg)
مقدار کاری که یک نیرو طی جابه‌جایی x
انجام می‌دهد به صورت زیر است.
W=F△x⇔W=∫fiFdx
شکل (۲): مطابق با رابطه نیرو و فشار، کاری که این نیرو در واحد حجم انجام می‌دهد برابر با است. در واقع این فشار (نیرو) باعث جابه‌جایی سطح (A) پیستون به اندازه dx می‌شود.مطابق با شکل فوق، با استفاده از تعریف فشار (نیرو وارد بر سطح P=FA
) و در نظر گرفتن (A.x≡V
) داریم:
W=∫fiFdx=∫fiPAdx=∫fiPdV
از رابطه فوق مشخص است که سطح زیر منحنی در یک نمودار فشار – حجم برابر با کار انجام شده است. در شکل (3) با کاهش یا افزایش ساچمه‌های فلزی می‌توانیم بر وزن ظرف حاوی ساچمه‌ها تاثیر گذاشته و در نتیجه فشاری که بر سطح پیستون وارد می‌شود را کنترل کرد. با این کار حجم محفظه داخلی پیستون تغییر کرده و طبق رابطه فوق، کار انجام می‌شود.
شکل (۳): شماتیکی از یک پیستون که فرآیندی شبه‌استاتیک را طی می‌کند. با تغییر در تعداد ساچمه‌های فلزی می‌توانیم بر تغییرات حجم پیستون کنترل داشته باشیم.در خصوص علامت کار انجام شده، در بخش فرآیند هم‌فشار توضیحات لازم را ارائه می‌کنیم. از قوانین پایستگی انرژی می‌دانیم که کار انجام شده توسط محیط روی سیستم یا سیستم روی محیط از نظر قدرمطلق برابر است و تنها در یک علامت منفی تفاوت دارند. شکل (4) نمودار فشار-حجم را برای فرآیندهای مختلفی نشان می‌دهد. علامت کار در این شکل‌ها مربوط به کار انجام شده توسط سیستم روی محیط است و کار انجام شده توسط محیط روی سیستم قرینه این مقدار است.
شکل (۴): توسط فرآیندهای مختلفی می‌توان از نقطه از حجم i به حجم f رسید. در فرآیندهای انبساطی کاری که سیستم روی محیط انجام می‌دهد مثبت و در فرآیندهای تراکمی منفی است. دقت داشته باشید که اگر کاری که محیط روی سیستم انجام می‌دهد را در نظر بگیریم، باید آن را با علامت قرینه به در محاسبات وارد کنیم.فرآیندهای ترمودینامیکی
همان‌طور که در مقدمه متن بیان کردیم، معروف‌ترین فرآیندهایی که می‌توانیم آن‌ها به صورت شبه‌استاتیک بررسی کرده و برای آن‌ها معادله حالت بنویسیم، چهار فرآیند زیر است. شایان ذکر است که این چهار فرآیند در صنعت از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند.
[list]
[*]فرآیند هم‌حجم
[*]فرآیند هم‌فشار
[*]فرآیند هم‌دما
[*]فرآیند بی‌دررو (آدیاباتیک)
[/list]در ادامه به بررسی فرآیندهای ترمودینامیکی معرفی شده در فوق می‌پردازیم.
فرآیند هم حجم
همان‌طور که از نام این فرآیند مشخص است، در طول انجام فرآیند، حجم سیستم ثابت باقی می‌ماند. از رابطه کار مشخص است که در صورت ثابت بودن حجم، سیستم کاری روی محیط (یا محیط روی سیستم) انجام نمی‌دهد.
W=∫00PdV=0
از آنجا که فرآیند هم‌حجم فرآیندی شبه‌استاتیک است، در هر لحظه می‌توان برای آن معادله حالت را به کار برد. از نوشتن معادله حالت برای دو حالت از فرآیند هم‌حجم داریم:
PV=nRT→V=nRTP⇒T1P1=T2P2
رابطه فوق در سال 1802 میلادی توسط «ژوزف لویس گی‌لوساک» (Joseph Louis Gay-Lussac) بررسی شد. از قانون اول ترمودینامیک برای یک فرآیند هم‌حجم نتیجه می‌گیریم:
△U=Q+W=Q+0=Q
رابطه فوق بیانگر این است که سیستم (گاز) در فرآیند هم‌حجم تنها با محیط مبادله گرمایی انجام می‌دهد. پس تغییر انرژی درونی گاز، فقط برابر با گرمای مبادله شده با محیط است.
نمودار فرآیند هم حجم
حال به بررسی ۳ نمودار مختلف فرآیند هم‌حجم می‌پردازیم. در شکل‌های فوق نمودار حجم-دما و فشار-حجم برای فرآیند هم‌حجم رسم شده‌اند. در این نمودارها دما و فشار افزایش پیدا کرده است. در صورت افزایش دما و فشار یک سیستم در فرآیند هم حجم واضح است که سیستم از محیط گرما گرفته است. اگر سیستم گرمایش را به محیط می‌داد فشار و دمای آن کاهش پیدا می‌کرد.
شکل (۵): نمودارهای حجم-دما و فشار-حجم برای یک فرآیند هم‌حجم که دما و فشار در آن افزایش پیدا می‌کند.به عنوان مثال، فرآیند پخت غذا در زودپز را می‌توان فرآیند هم‌حجم به حساب آورد. از آنجایی که حجم درون زودپز تغییری نمی‌کند و در آن محکم است، زودپز با گرفتن گرما از محیط (شعله آتش) باعث افزایش خیلی زیاد دما و فشار می‌شود و در نتیجه غذا سریع‌تر می‌پزد. سوپاپ زودپز نیز از این جهت طراحی شده که به هنگام افزایش بیش‌از حد فشار، از ترکیدن زودپز جلوگیری کند. حال به نظر شما به چه علت روی قوطی‌های اسپری، علامت هشدار دور از گرما و یا هشدار در آتش انداختن ثبت شده است؟