همه چیز در مورد ترمو دینامیک و قوانین آن

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
ali.rs.1374

نام: علیرضا

عضویت : جمعه ۱۳۹۱/۸/۵ - ۱۹:۴۹


پست: 135

سپاس: 116

جنسیت:

همه چیز در مورد ترمو دینامیک و قوانین آن

پست توسط ali.rs.1374 »

سلام
چند سوال کلی
مفهوم کلی ترمودینامیک چیه؟
ترمودینامیک چه کاربردی داره؟
میشه چند مثال توی طبیعت زد که قوانین ترمودینامیک در اونها مشهود باشه؟

واژه ترمودینامیک از دو واژه یونانی ترمو به معنی گرما و دینامیک به معنی پویایی وقدرت تشکیل شده است . کلمه دینامیک در واژه این علم به معنی این است که ترمودینامیک علم بررسی انرژی در حرکت و پویایی اجسام و سیستمها است ، به همین دلیل واژه معادل فارسی ترمودینامیک ، گرماپویایی است . در این علم تمام جنبه های انرژی و تبدیلات آن از قبیل تولید قدرت ، تبرید و سرمایش توصیف می شوند .
ترمودینامیک علم بررسی رفتار مواد در برابر کار و انرژی (معمولاً به شکل گرما) است. در ترمودینامیک درمورد روش‌های تبدیل انرژی و تغییرات خواص ماده در اثر تبدیل انرژی، تغییر فاز و یا تماس با ماده دیگر بحث می‌ شود. این تعریف بسیارکلی است و در واقع هنگامی می‌توان این تعریف را واقعاً درک کرد که با جوانب کاربردی آن آشنا شده باشیم.
تعریف دقیق ترمودینامیک درهمه کتابهای ترمودینامیک و جزوات درسی دانشجویان موجود است که آن را علم کار و حرارت یا دانش انرژی و انتروپی خوانده اند .

می دانیم که ماده از تعداد زیادی ذرات به نام مولکول تشکیل شده است که خواص یک ماده بطور طبیعی به رفتار این ذرات وابسته است . مثلا برای تعریف فشار یک گاز از برخورد مولکوها و انتقال اندازه حرکت آنها کمک می گیریم ؛ حال با دانستن این موضوع به این نکته اشاره می کنیم که برای تعیین فشار داخل یک محفظه لازم نیست که از رفتار ذرات گاز اطلاع دقیق داشته باشیم و با اتصال یک فشار سنج به آن محفظه نیز می توان فشارآن را یافت .
در ترمودینامیک ،این روش که یک دید کلی و باز یا به عبارتی یک دید ماکروسکوپی به رفتار اجسام است و نیاز به اطلاع از رفتار ذرات ندارد ، ترمودینامیک کلاسیک نام دارد .

درمقابل اگر با یک دید دقیق و میکروسکوپی به رفتار اجسام بنگریم و مبنای عمل ، میانگین رفتار گروههای بزرگ ذرات باشد در علم ترمودینامیک آماری به سر می بریم .

ترمودینامیک نیز مانند تمام علوم ، یک علم آزمایشگاهی و تجربی است که بنیان آن بر اساس چند اصل ساده و بسیلر مهم شکل گرفته است که به قوانین ترمودینامیک موسوم هستند که این قوانین نیز برگرفته از مشاهدات تجربی است .
بسیاری ازتجهیزات مهندسی شامل دستگاههای تاسیساتی ، تجهیزات نیروگاهی ، توربین های گاز ، موتورهای احتراق داخلی ، یخچال ها وبسیاری از دیگر اختراعات بشر بر پایه علم ترمودینامیک شکل گرفته است .

مشهود ترین کاربردهای ترمودینامیک در سیکلهای توان ( قدرت ) و سیکلهای تبرید ( سرمایش ) یافت می شوند.

ازاین میان می توان به سه مثال خوب از دستگاههای ترمودینامیکی اشاره کرد :

1. نیروگاه ساده بخار
2. موتورهای احتراق داخلی
3. یخچال ساده ومعمولی

یک نیروگاه بخار دارای 4 جزء اصلی است :

* دیگ بخار ( boiler )
* توربین ( turbine )
* چگالنده یا تقطیرگر ( condenser )
* پمپ ( pump )


بطور خلاصه مکانیزم کاری یک نیروگاه ساده بخار بصورت زیر است :

در دیگ بخار ، بخار آب تولید می شود ، در توربین ،انرژی آن به حرکت یک شافت تبدیل شده که این شافت به ژنراتور برای تولید برق متصل است، سپس در تقطیرگر بخار خروجی از توربین به مایع تبدیل شده و به کمک پمپ به دیگ بخار باز می گردد تا این سیکل تکرار شود.

در تصویر زیر طرح و شکل کلی یک نیروگاه ساده بخار نمایش داده شده است .





طرح و شکل کلی یک نیروگاه ساده بخار

طرح و شکل کلی یک نیروگاه ساده بخار
يکی دیگر از نمونه های کاربردی سیکلهای قدرت ، سیکل استاندار هوایی اتو بوده که مکانیزم موتورهای احتراق داخلی ( اشتعال جرقه ای ) را با آن تقریب می زنند. چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه که دریک سیلندر- پیستون رخ می دهد ، به خوبی در این سیکل بیان می شود .



چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه

چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه







مراحل كاري يك موتور احتراق داخلي






چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه

چهار فرایندهای مکش ، تراکم ، اشتعال ،انبساط وتخلیه



در نهایت به معرفی یکی دیگر از دستگاههای ترمودینامیکی می پردازیم :

در یک یخچال ساده ، کمپرسور ، بخار را مکیده و با فشار و حرارت بالا آن را به کندانسور می فرستد . در کندانسور این بخار گاز تقطیر وسرد شده و در شیر انبساط دچار افت فشار می شود . مایع حاصل در اواپراتور تبخیر شده و با گرمایی که از مواد غذایی می گیرد ، تولید سرما می کند . این بخار به طرف کمپرسور هدایت شده و سیکل تکرار می گردد .
کمپرسور ، بخار را مکیده و با فشار و حرارت بالا آن را به کندانسور می فرستد . در کندانسور این بخار گاز تقطیر وسرد شده و در شیر انبساط دچار افت فشار می شود . مایع حاصل در اواپراتور تبخیر شده و با گرمایی که از مواد غذایی می گیرد ، تولید سرما می کند . این بخار به طرف کمپرسور هدایت شده و سیکل تکرار می گردد



کمپرسور ، بخار را مکیده و با فشار و حرارت بالا آن را به کندانسور می فرستد . در کندانسور این بخار گاز تقطیر وسرد شده و در شیر انبساط دچار افت فشار می شود . مایع حاصل در اواپراتور تبخیر شده و با گرمایی که از مواد غذایی می گیرد ، تولید سرما می کند . این بخار به طرف کمپرسور هدایت شده و سیکل تکرار می گردد
http://www.noandishaan.com
مدعی خواست که آید به تماشاگه راز
دست رد آمد و بر سینه ی نامحرم زد

ali.rs.1374

نام: علیرضا

عضویت : جمعه ۱۳۹۱/۸/۵ - ۱۹:۴۹


پست: 135

سپاس: 116

جنسیت:

Re: همه چیز در مورد ترمو دینامیک و قوانین آن

پست توسط ali.rs.1374 »

قانون صفرم ترموديناميك

قانون صفرم ترموديناميك بيان مي‌كند كه اگر دو سيستم با سيستم سومي در حال تعادل گرمايي

باشند، با يكديگر در حال تعادلند.

مثل

جیوه و دماسنج

دماسنج و آب

و در نتیجه جیوه و آب



قانون اول ترموديناميك

قانون اول ترموديناميك كه به عنوان قانون بقاي كار و انرژي نيز شناخته مي‌شود، چون در شيمي و

فيزيك سيستم مورد توجه است، گرما و كاري كه به سيمتم داده مي‌شود مورد نظر ماست و

انرژي دروني را Q+W در نظر مي‌گيريم.(سيستم را بسته,در حالت سكون و در غياب ميداانها در

نظر ميگيريم)


dU=δQ+δW

dU يك افزايش بي‌اندازه كوچك در انرژي دروني سيستم است.,

δQ يك مقدار بي‌اندازه كوچك از گرما كه به سيستم افزوده مي‌شود,

δW يك كار بي‌اندازه كوچك كه بر روي سيستم انجام مي‌شود و

δ نماد ديفرانسيل است.


قانون دوم ترموديناميك

قانون اول ترموديناميك تنها بياني از تئوري كار و انرژي يا قانون بقاي انرژي است. يك آونگ ساده يا

يك آونگ ايده‌آل براي هميشه به نوسان ادامه مي‌دهد. فيلمي از يك آونگ كه به جلو و عقب

نوسان مي‌كند را در نظر بگيريد. اگر ما فيلم را برعكس نشان بدهيم، نخواهيم توانست آن را از

حالت عادي تشخيص بدهيم.

اما برداري (نشانگري) براي زمان وجود دارد. دامنهٔ نوسان آونگ به تدريج كوجكتر مي‌شود. اگر

توپي را از ارتفاع خاصي رها كنيد، در هر بار برخورد توپ با زمين، كمتر از دفعهٔ قبل بالا خواهد آمد.

فيلمي از اين توپ در دنياي واقعي، هنگام پخش برعكس، متفاوت ديده خواهدشد. قطعات يخ در

داخل فنجان چاي ذوب مي‌شوند در حالي كه چاي سردتر مي‌شود.

هيچ تناقضي با قانون اول ترموديناميك نخواهد داشت اگر ما ببينيم كه در داخل يك فنجان چاي

قطعات يخ تشكيل شده و چاي گرمتر شود. اين با قانون بقاي انرژي سازگار است اما «ما هيچگاه

چنين چيزي را نمي‌بينيم». قانون دوم ترموديناميك توضيح مي‌دهد كه چرا چنين چيزي اتفاق

نمي‌افتد.

بيان كلوين-پلانك

ساخت يك موتور گرمايي سيكلي (چرخه‌اي) كه جر جذب گرما از منبع و انجام كار مساوي با

گرماي چذب شده تأثير ديگري بر محيط نداشته باشد، غير ممكن است.

يا مي‌توان گفت كه: ساخت ماشين گرمايي با بازدهي ۱۰۰ درصد غيرممكن است.


بيان كلازيوس

ساخت يك موتور سيكلي كه تأثيري جز انتقال مداوم گرما از دماي سرد به دماي گرم نداشته

باشد، غير ممكن است.


ارتباط اين دو بيانا

ين دو بيان قانون دوم ترموديناميك معادل (هم‌ارز) هستند. اگر بتوان يكي از آنها را نقض كرد،

ديگري نيز نقض مي‌شود.

قانون سوم ترموديناميك

قانون سوم ترموديناميك مي‌گويد هنگامي كه انرژي يك سيستم به حداقل مقدار خود ميل

مي‌كند، انتروپي سيستم به مقدار قابل چشم‌پوشي مي‌رسد. يا به بیانی دیگر وقتی U (انرژی

درونی) به سمت صفر میل کند،S (آنتروپی) نیز به صفر نزدیک می شود.

از رابطهٔ بين انرژي دروني و دما، رابطهٔ بالا را مي‌توان به صورت زير نوشت:

هنگامي كه ، دما به صفر میل میکند،آنتروپی نیز به صفر نزدیک می شود

اما در هنگام كاربرد اين قانون بايد توجه داشت كه در اين دما (وقتی دما به سمت صفر میل میکند)

سيستم در حال تعادل است يا نه. زيرا با پايين آمدن دما، سرعت رسيدن به تعادل خيلي زياد

مي‌شود.
مدعی خواست که آید به تماشاگه راز
دست رد آمد و بر سینه ی نامحرم زد

نمایه کاربر
rohamjpl

نام: roham hesami

محل اقامت: Tehran -Qeytariyeh, Ketabi Street, 8 meters from Saba

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 343

سپاس: 176

جنسیت:

تماس:

Re: همه چیز در مورد ترمو دینامیک و قوانین آن

پست توسط rohamjpl »

موتور گرمایی
قانون دوم ترمودینامیک به بیان کلازیوس
علاوه بر بیان کلوین-پلانک که قانون دوم ترمودینامیک را در مورد موتورهای گرمایی شرح می‌دهد، بیان دیگری از این قانون، به یخچال‌ها و پمپ‌های حرارتی می‌پردازد. قانون دوم ترمودینامیک به بیان کلازیوس (Clausius) به صورت زیر تعریف می‌شود.
ساخت یخچالی که بتواند در یک چرخه کامل، بدون گذاشتن تأثیر دیگری روی محیط، انرژی گرمایی را از منبع سرد به منبع گرم منتقل کند، امکان‌پذیر نیست.
بدیهی است که هیچ‌گاه گرما به صورت خود به خود از محیط سرد به محیط گرم منتقل نمی‌شود. کلازیوس نمی‌گوید ساخت یک دستگاه که در چرخه کار کند و حرارت را از محیط سرد به محیط گرم انتقال دهد، غیرممکن است. بلکه بیان می‌کند که عملکرد چنین دستگاهی، نیازمند آن است که به عنوان مثال، کمپرسور یخچال، با استفاده از یک منبع توان خارجی مانند موتور الکتریکی، راه‌اندازی شود. به این ترتیب، برآیند تاثیر چنین دستگاهی روی محیط، علاوه بر انتقال حرارت از منبع سرد به منبع گرم، شامل مصرف انرژی به صورت کار هم خواهد بود. به عبارت دیگر، یخچال کاملاً با بیان کلازیوس از قانون دوم ترمودینامیک انطباق دارد.
از نابرابری Clausius می توان نتیجه گرفت که کارایی یک چرخه Carnot (برگشت پذیر) توسط:
$ e= 1 - \frac{T_c}{T_h}$
آیا این برای هر چرخه برگشت پذیر درست است؟ آیا کارایی تمام چرخه برگشت پذیر با کارایی چرخه کارنو برابر است؟ اگر اینگونه نباشد ، مسئولیت این تفاوت چیست؟ (آیا به این دلیل است که دما در کل چرخه همان است که در طول تغییر شکل همدما در چرخه کارنو وجود ندارد؟)es آنها واقعاً هستند.
برابری در نابرابری کلاوزیوس
$ \oint \frac{đq_\textrm{sys}}{T_\textrm{source}}=0$
برای تمام چرخه های برگشت پذیر کاملاً معتبر است.
دمای یک موتور برگشت پذیر در هر زمان برابر با دمای منابع گرمایشی است که با آن در تماس است.
بنابراین ، وقتی چرخه ها برگشت پذیر باشند ، آنتروپی جهان صفر خواهد بود و این بدان معنی است که کارایی تمام چرخه های برگشت پذیر یکسان خواهد بود.
با توجه به گفته های قانون دوم کالوین و کلاوزیوس می توان قضیه کارنو را اثبات کرد (هیچ موتوری از موتور حرارتی کارآمدتر نیست) ، و بنابراین این یک بیان اضافی از قانون دوم می شود. ترکیب هر 3 با هم نابرابری Clausius را به ما می دهد و از این رو می توان نتیجه گرفت
$dS \geq 0\tag{1} $
برای یک فرایند حرارتی جدا شده ، و این به عنوان بیانیه دیگری از قانون دوم ارائه شده است.
با این حال ، در آنچه من نابرابری Clausius خوانده ام
$\oint \frac{dQ}{T} \leq 0 \tag{2}, $
به صراحت به عنوان بیانیه قانون دوم ارائه نشده است. آیا این دلیل غیر پیش پا افتاده ای دارد یا اینکه من درک می کنم که این واقعاً یک بیانیه قانون دوم معادل است؟
اول از همه ، باید اشاره شود که ، در معادله ای که برای نابرابری Clausius نوشتید ، T باید در دمای مرز ارزیابی شود Tbبین سیستم و محیطی که از طریق آن افزایش گرمای dQ در طی فرآیند جریان می یابد (نه در دمای متوسط ​​سیستم). (به ترمودینامیک توسط فرمی و مبانی مهندسی ترمودینامیک توسط موران و دیگران مراجعه کنید). من همچنین نابرابری را به شکل کمی متفاوت بیان می کنم
$ \int_A^B{\frac{dQ}{T_b}}\leq \Delta S$
که در آن A حالت تعادل ترمودینامیکی اولیه سیستم و B حالت تعادل ترمودینامیکی نهایی است. به نظر من این ساده ترین جمله قانون دوم ترمودینامیک است ، و جمله ای که من شخصاً با آن بهترین ارتباط را دارم (از آنجا که این یک رابطه ریاضی مستقیم است). گفته های دیگر قانون دوم ، به نظر من ، فقط به دلیل اهمیت تاریخی آنها مهم است.نابرابری کلازیوس در سه سیستم
فرض کنید سه سیستم داریم که از همان ماده S1 ، S2 و S3 به همان مقدار ساخته شده اند. آنها با درجه حرارت T1 ، T2 ، T3 شروع می شوند به طوری که T1> T2> T3.
ما می توانیم سیستم ها را در امتداد یک خط در کنار یکدیگر قرار دهیم: S1 | S2 | S3 ، جایی که | نشان می دهد که سیستم های دو طرف آن در تماس هستند.
بگذارید فرض کنیم که این خط از سیستم ها ، به عنوان یک کل در نظر گرفته شده ، می تواند به عنوان جدا شده تلقی شود. در داخل خط ، گرما و کار ممکن است بین هر دو سیستم در تماس رد و بدل شود. بنابراین این سه سیستم شروع به تعادل ترمودینامیکی با یکدیگر می کنند.در همان آغاز فرآیند ، S1 گرما δQ12 به S2 را از دست می دهد ، و S2 گرما δQ23 را به S3 از دست می دهد. انتروپی سیستم ها به ترتیب توسط dS1 ، dS2 و dS3 تغییر می کنند.
من می خواهم نشان دهم که $dS_1 + dS_2 + dS_3 > 0 $ ، با استفاده از نابرابری Clausius. به عبارت دیگر ، من می خواهم نشان دهم که قانون دوم ترمودینامیک نتیجه آن است که با رسیدن خط به تعادل ترمودینامیکی داخلی ، آنتروپی برای کل خط سیستم افزایش می یابد.
نابرابری Clausius به طور خودکار$d S_1 \geq \frac{-\delta Q_{12}}{T_2} $ و $ d S_3 \geq \frac{\delta Q_{23}}{T_2}$ را ایجاد می کند ، زیرا S1 و S3 هر دو فقط با S2 در دمای T2 در تماس هستند.
برای یک سیستم جدا شده ، انرژی سیستم باید صرفه جویی شود ، بنابراین گرمای خارج شده از S1 برابر با گرمای ورودی به S3 است. در نتیجه
$Q12 = Q23 = Q$
فرض کنید S1 ، S2 و S3 مخازن حرارتی هستند ، بنابراین انتقال گرما به صورت هم دما انجام می شود.
تغییرات در آنتروپی برای هر مخزن است
$\Delta S_{1}=-\frac{Q}{T_1} $
$\Delta S_{2}=+\frac{Q}{T_2}-\frac{Q}{T_2}
$
$
\Delta S_{3}=+\frac{Q}{T_3}$
کل تغییر آنتروپی سیستم جدا شده است
$\Delta S_{roham}=\Delta S_{1}+\Delta S_{2}+\Delta S_{3} $
$\Delta S_{roham}=-\frac{Q}{T_1}+\frac{Q}{T_2}-\frac{Q}{T_2}+\frac{Q}{T_3} $
$\Delta S_{roham}=\frac{Q}{T_{3}}-\frac{Q}{T_{1}} $
برای همه T1> T3 ، $\Delta S_{Total}>0 $
اگر T1 → T3 (انتقال حرارت برگشت پذیر) $ \Delta S_{roham}= 0$
بنابراین $\Delta S_{roham}≥0 $
$ \Delta S_2\geq\int{\frac{dQ_{12}}{T_{12}}}+\int{\frac{dQ_{32}}{T_{23}}}$
$ \Delta S_2\geq\int{\frac{dQ_{12}}{T_{12}}}+\int{\frac{dQ_{32}}{T_{23}}}$, و $\Delta S_3\geq\int{\frac{dQ_{23}}{T_{23}}} $ پس $\Delta S_1+\Delta S_2+\Delta S_3\geq 0 $
تصویر

ارسال پست