جزو جامع ترمودینامیک مهندسی مواد + نمونه سوال و پاسخ
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته مواد و متالورژی (آموزش_و_پژوهش)
ترموديناميك
فصل اول - ترمو ديناميك و انرژي
1-1 خلاصه مطالب
ترموديناميك را ميتوان علم انرژي توصيف كرد . هر چند مردم ميدانند كه انرژي چيست. اما نميتوان تعريف دقيقي از انرژي ارائه داد. شايد بتوان انرژي را به عنوان قابليت انجام كار يا توانايي انجام تغييرات در نظر گرفت . كلمه ترمو ديناميك از كلميات يوناني (Thermo) حرارت و (dinamics) قدرت گرفته شده است كه بيشتر به منظور تشريح تبديلات اوليه حرارت به قدرت استفاده ميشود . اما هنوز همين لغت براي بيان تمامي مواردي كه در آن انرژي انتقال يافته مطرح گشته به كار مي‌رود كه اين موارد شامل توليدات قدرت و بازيابي آن و ارتباتات بين خواص اجسام ميباشد.
يكي از اصول اساسي طبيعت ، اصل بقاي انرژي است . اين اصل بيان ميدارد كه در طي يك واكنش انرژي نميتواند از حالتي به حالت ديگر تغيير كند . اما مقدار كل آن ثابت باقي ميماند به عبارت ديگر انرژي نميتواند نابود يا خلق شود .
علم ترموديناميك به بيان انرژي از صورتي به صورت ديگر پرداخته و به خواص متنوع مواد و تغييرات اين خواص به سبب انتقال انرژي ميپردازد. علم ترمو ديناميك بر اساس مشاهدات تجربي بيان شده است . نتايجي كه از اين گونه مشاهدات به دست آمده به عنوان تعدادي قوانين اوليه بيان شده است.
براي مثال قانون اول ترمو ديناميك بيان ساده اي از اصل بقاي انرژي و بيان ميدارد كه انرژي يك خاصيت ترمو ديناميكي ميباشد . همچنين قانون دوم ترمو ديناميك بيان ميكند كه در پديده هاي ترموديناميكي جهت فرايند در يك سمت خاص امكان پذير است . به عنوان مثال فنجان قهوه داغي را كه روي ميز قراردارد در نظر بگيريد اين فنجان به تدريج خنك ميشود . اما اين فنجان قهوه هيچ وقت به خودي خود داغ نميشود .
زمينه‌هاي كاربردي علم ترموديناميك گسترده و وسيع است . به عنوان مثال يك خانه معمولي از جهاتي شبيه به يك سالن نمايش است كه از جلوه‌هاي مربوط به ترموديناميك لبريز است . بسياري از ظروف و اسباب خانگي كم و بيش با استفاده از اصول ترمو ديناميك طراحي شده‌اند به عنوان مثال ميتوان از اجاق الكتريكي يا گازي ، سيستم تهويه و يا گرمايش ، يخچال ، رطوبت ساز و غيره نام برد. در مقياس وسيعتر علم ترموديناميك نقش مهمي در تحليل و طراحي موتورهاي وسايل نقليه و موشكها، ، موتورهاي جت و نيروگاه‌هاي معمولي و هسته‌اي ايفا ميكند.
2-1 تعاريف اوليه
سيستم ترمو ديناميكي: سيستم ترموديناميكي يا بطور ساده يك سيستم ، به عنوان مقداري از ماده يا ناحيه‌اي از فضا كه براي مطالعه انتخاب شده است، تعريف ميشود .
محيط : ناحيه‌اي را كه خارحج از سيستم تعريف ميشود محيط گويند.
مرز سيستم : سطح واقعي يا سطح فرضي است كه سيستم را از محيط جدا ميكند و مرز سيستم ميتواند ساكن يا متحرك باشد . توجه كنيد كه مرز مربوط به شطح مشترك بين سيستم و محيط اطارف ميباشد. به بيان رياضي ضخامت اين مرز صفر است
جاي شكل
سيستم بسته يا جرم كنترل : اين سشيستم شامل مقدار ثابتي از جرم ميباشد و جرمي از آن مرز نميتواند عبور كند . يعني همان طور كه در شكل 2-1 نشان داده شده است. هيچ جرمي نميتواند به يك سيستم بسته وارد يا از آن خارج شود . اما انرژي به شكل حرارت و يا كار ميتواند مرز آن را قطع كند ، حجن يك سيستم بسته الزاماً ثابت نيست.
جاي شكل
به عنوان مثال اگر به سيلندر و پيستون حرارت دهيم پيستون جابهجاميشود و حجم تغيير ميكند ولي جرم داخل آن ثابت ميباشد.
سيستم عايق شده يا ايزوله
سيستمي است كه به هيچ وجه از محيط اثر نميگيرد . اين تعريف بدان معني است كه هيچ گونه جرم، گرما يا كار از مرزهاي سيستم نميگذرد.
سيستم باز يا حجم كنترل
عبارت است از ناحيه اي از فضاكه به طور مناسبي انتخاب شده و معمولاً دستگاهي است كه جريان جرم در آن برقرار ميباشد. به عنوان مثال در شكل زير نماي يك آبگرمكن مشاهده ميشود كه آب سرد از يك قسمت وارد شده و در داخل حجم كنترل گرما داده ميشود و از سوي ديگر آب گرم خارج مي‌گردد.
جاي شكل
تعادل : ترموديناميك با حالتهاي در خال تعادل سر و كار دارد. كلمه تعادل بيان كننده يك حالت توازن ميباشد. در يك حالت تعادل هيچ پتانسيل يا نيروي وارد شونده موازنه نشده‌اي در سيستم وجو ندارد.
انواع مخختلفي از تعادل وجود دارد . يك سيستم در حالت تعادل ترموديناميكي نميباشد . مگر آنكه شرايط تمامي انواع تعادل مربوزطه ارضا شود براي مثال در يك سيستم اگر گرما در كل سيستم يكنواخت و نقطه‌اي نباشد در تعادل مكانيكي ميباشد.
فرآيند: هر تغييري كهيك سيستم را از يك حالت تعادل به حالت تعادل ديگز برساند فرآيند ناميده ميشود و مجموعه حالتهايي كه يك سيستم در طراحي يك فراآيند از آنها عبور ميكند . مسير فرآيند ناميده ميشود.
جاي شكل
3-1 ويژگيها و حالات ماده
حالت يك ماده وضعيتهايي است كه يك ماده ميتواند در آن قرار بگيرد. به عنوان مثال جرم معلومي از آب ميتواند در سه حالت مايع و جامد و گاز وجود داشته باشد. كه به هركدام از اين حالتها فاز گفته ميشود . يك فاز به گونه كميتي از ماده كه همه آن همگن باشد شناخته ميشوند.
در هر فاز ماده ميتواند در دما و فشار هاي گوناگون قرار گرفته باشد كه به آن حالت ماده گفته ميشود. حالت ماد با ويژگيهاي آن از قبيل دما، فشار و چگالي شناخه ميشود.
4-1 انرژي
انرژي يك مفهوم اساسي همانند جرم يا نيرو است . انرژي به عنوان ظرفيت توليد يك اثر تعريف شده است. «انرژي ميتواند درون يك سيستم ذخيره شده يا از سيستمي به سيستم ديگر منتقل شود.»
5-1 خواص يك سيستم
هر مشخصه‌اي از سيستم يكخاصيت ناميده ميشود. بعضي از مثالهاي آشنا در رابطه با آن عبارتند از : فشار: (P) ، دما (T)، حجم (V) و جرم (m).
همه خواص ، مستقل از هم نميباشند بلكه تعدادي از آنها به كمك خواص ديگر تعريف ميشوند مانند چگالي:
(1-1)
حجم ويژه
حجم ويژه يك ماده به صورت حاصل قسمت حجم يك ماده بر حجم آن ماده شناخته مي‌گردد و با نماد نشان داده ميشود.
(2-1)
چگالي
چگالي يك ماده ماده عكس حجم ويژه آنماده است . يعني از حاصل قسمت جرم يك ماده بر حجم آن مشخص ميشود و آن را با نماد شنان ميدهند.
(3-1)
حجم ويژه و چگالي كميتهايي هستند كه با نتغيير ارتفاع در يك سيستم گرانشي ( سيستمي كه تحت تاثير نيروي جاذبه باشد) تغيير مي‌يابند . به عنوان مثال گاز درون يك اتاق در ارتفاعات بالايي از چگالي كمتري نسبت به قسمتهاي پاييني برخوردار است ؛ بنابراين در يك سيستم بايد از حجم ويژه و چگالي كمتري نسبت قسمتهاي پاييني برخوردار است ؛ بنابراين در يك سيستم باسد از حجم ويژه و چگالي يك نقطه از سيستم سخن گفت . و بايد به ياد داشت كه اين كميتها ميتوانند با ارتفاع تغيير كنند ولي در سيستمهاي كوچك ميتوان اين تغيير را ناچيز دانست و حجم ويژه و چگالي را در تمام نقاط سيستم يكسان در نظر گرفت.
چگالي نسبي
نسبت چگالي يك ماده به ماده ديگر را چگالي نسبي گويند.و اغلب مشخص كننده چگالي يك ماده نسبت به آب ميباشد( چگالي نسبي بدون واحد است.)