ترمودینامیك

ترمودینامیك شاخه ای از علم است كه اصول انتقال انرژی را در سیستمهای درشت بین مجسم میكند بند های اصلی كه تجربه نشان داده است همة این انتقالات را به كار می گیرند به عنوان قوانین ترمودینامیك شناخته شده اند این قوانین اولیه و بنیادین هستند و نمی توان آنها را از چیز اصلی تر دیگری مشتق كرد

ترمو دینامیك

اولین قانون ترمودینامیك می گوید كه انرژی باقی می ماند و با اینكه می تواند به شكل دیگر تغییر كند و از مكانی به مكان دیگر تغییر یابد ، مقدار كلی آن ثابت می ماند . بدین ترتیب اولین قانون ترمودینامیك به مفهوم انرژی بستگی دارد ولی از طرف دیگر انرژی تابع اصلی ترمودینامیك است چون بدین وسیله می توان اولین قانون را به صورت فرمول بیان كرد . این همبستگی مشخصة مفاهیم اولیه ترمودینامیك است .

واژه های سیستم و پیرامون به طور مشابه همبسته می شوند . سیستم به شیء، هر كمیت مانده هر بخش و غیره ای اطلاق می شود كه برای مطالعه انتخاب شده است و ( به طور ذهنی ) از هر چیز دیگر كه پیرامون نامیده می شود جدا می گردد . پوشش مجازی كه سیستم را احاطه می كند و آن را از پیرامونش جدا می سازد مرز سیستم نامیده می شود .این مرز تصور می رود خواص ویژه ای داشته باشد كه یا ( 1 )سیستم را از پیرامونش جدا می سازد ، یا ( 2 ) به روش های مخصوص فعل و انفعال بین سیستم وپیرامونش مبادله می كند . اگر سیستم تفكیك نشده باشد ، تصور می رود مرزهایش ماده یا انرژی یا هر دو را با پی رامنش مبادله میكند . اگر ماده مبادله شود سیستم گفته می شود باز است . اگر فقط انرژی نه ماده مبادله گردد سیستم بسته ( ولی تفكیك نشده) است و جرمش ثابت است .

وقتی سیستم تفكیك شده است نمی تواند تحت تاثیر پیرامونش قرار گیرد . با وجود این ، ممكن است تغیرات درون سیستم روی دهد كه این تغییرات با وسایل اندازه گیری مثل دماسنج ، فشار سنج ، و غیره قابل تشخیص هستند . با وجود این ، چنین تغییراتی نمی توانند  بطور نامحدود ادامه یابند ، و بالاخره سیستم باید به وضعیت ثابت نهائی تعدل درونی برسد .

در مورد سیستم بسته كه با پیرامونش فعل و انفعالات می كند ، وضعیت ثابت نهایی ، چون سیستم نه تنها از لحاظ درونی در تعادل است ممكن است بالاخره بدست آید .

مفهوم تعادل در ترمودینامیك اصلی است چون با وضعیت تعادل سیستم كه مفهوم حالت است ارتباط دارد . سیستم حالت قابل تكرار و همانند دارد وقتی همة خواصش ثابت هستند . مفاهیم حالت و خصوصیت دوباره همبسته می شوند . همچنین شخص می‌تواند بگوید كه خواص سیستم به وسیلة حالتش ثابت هستند . خواص معینی با وسایل اندازه گیری مثل دماسنج و فشار سنج كشف می شوند . وجود خواص دیگر مثل انرژی درونی بیشتر به طور غیر مستقیم شناسایی می شوند . تعداد خواصی كه باید ارزشهای دلخواه را به منظور ثابت كردن حالت سیستم تنظیم كنند به سیستم بستگی دارد و باید از طریق آزمایش تعیین شوند .

وقتی سیستم از حالت تعادل خارج می شود و در معرض فرایندی قرار می گیرد كه در طی آن خواص سیستم تغییر می كند تا به حالت تعادل جدیدی برسند . سیستم در طی چنین فرایندی ممكن است با پیرامونش فعل و انفعال كند تا این كه انرژی رابه شكل گرما و كار مبادله كند و بدین ترتب در سیستم و پیرامونش تغییراتی بوجود آورد كه برای یك علت یا علت دیگر مطلوب هستند . فرایندی كه ادامه می یابد بطوری كه سیستم هرگز به طور متمایز از حالت تعادل خارج نمی شود ، برگش پذی نامیده می شود چون چنین فرایندی بدون اینكه نیازی به افزودن كار ایجاد شده به وسیله فرایند پیشین داشته باشد در آغاز بطور مشابه در جهت مخالف معكوس می شود .        

مبنای ترمودینامیك بر تجربه و آزمایش استوار است . تعدادی از اصلهای موضوع به ترتیب زیر بیان شده است :

اصل 1

 شكلی از انرژی كه بعنوان انرژی درونی شناخته شده است وجود دارد كه برای سیستم های در حالت تعادل ، خاصیت ذاتی سیستم تست و از لحاظ كاربردی به مختصات قابل اندازه گیری مربوط می شود كه سیستم را متمایز می كنند .

اصل 2  

انرژی كلی هر سیستم و پیرامنش باقی می ماند . ( اولین قانون ترمودینامیك ) انرژی درونی كاملآ از انرژی پتانسیل و جنبشی كه اشكال خارجی انرژی هستند جدا ست . دركاربرد اولین قانون ترمودینامیك همة اشكال انرژی از جمله انرژی درونی باید در نظر گرفته شوند . بنابراین واضح است كه اصل 2 به اصل 1 وابسطه است . قانون اول برای سیستم تفكیك شده مستلزم این است كه انرژی اش ثابت باشد . قانون اول برای سیستم بسته ( كه تفكیك نشده است  ) مستلزم این است كه تغییرات انرژی سیستم دقیقآ با تغییرات انرژی پیرامون جبران گردد . برای چنین سیستم هایی ، انرژی به دو شكل گرما و كار بین سیستم و پیرامونش مبادله می شود .

گرما انرژی است كه تحت تاثیر تفاوت دما یا گرادیان از مرز سیستم می گذرد . كمیت گرما Qمقدار انرژی منتقل شده بین سیستم و پیرامونش را نشان می دهد و خصوصیت سیستم نیست . رسم معمول با توجه به علائم مستلزم اینست كه ارزشهای عددی Qوقتی گرما به سیستم افزوده می شود مثبت و وقتی گرما از سیستم خارج می شود منفی گرفته شوند .

كار نیز انرژی منتقل شده بین سیستم و پیرامونش است ولی از جابجایی نیروی بیرونی كه بر سیستم عمل می كند منتج می شود . كار هم مثل گرما خصوصیت سیستم نیست . رسم علائم انتخاب شده دراینجا مستلزم این است كه ارزشهای عددی كار Wوقتی كار توسط سیستم انجام می شود مثبت و وقتی كار برروی انجام می شود منفی گرفته  شوند . بنابر این W   بعد مخالف Q است .

در مورد سیستم های بسته ( دارای جرم ثابت ) كه برای آنها تنها شكل انرژی كه تغییر می كند انرژی درونی است ، اولین قانون ترمودینامیك از لحاظ ریاضی به طور زیر بیان می شود :

بخاطر داشته باشید كه dQ وdw   دیفرانسیلهای دقیقی نی ستند و دیگر اینكه Q  و W   خواص سیستم یا توابع مختصات ترمودینامیك كه سیستم را متمتیز می سازند نیستند . به عبارت دیگر dv و تغییر دیفرانسیل در  v ، خصوصیت سیستم را نشان می دهد . كمیتهای دیفرانسیل Dq و dw مبادلات انرژی بین سیستم و پیرامونش را نشان می دهد و در معادله برای محاسبةمبادلة انرژی پیرامون بكار می رود .

اصل 3

 خصوصیتی به نام آنتروپی s   وجود دارد كه برای سیستمهای در حالت تعادل ، خصوصیت ذاتی سیستم است و از لحاظ كاربردی به مختصات قابل اندازه گیری كه سیستم را متمایز می كند ارتباط دارد .

اصل 4

تغییر آنتروپی هر سیستم و پیرامونش با یكدیگر در نظر گرفته می شود و از هر فرایندی كه منتج شده باشد مثبت است و برای هر فرایندی كه به برگشت پذیری نزدیك است به ارزش محدود صفر نزدیك می گردد . ( قانون دوم ترمودینامیك )

همانطور كه قانون اول ترمودینامیك را نمیتوان بدون پیش شناخت انرژی درونی بعنوان یك خصوصیت فرمول نویسی كرد ، قانون دوم را بدون اعلا م قبلی وجود آنتروپی بعنوان یك خصوصیت نمی توان بطوركامل و كمی بیان كرد .

قانون دوم مستلزم این است كه آنتروپی سیستم تفكیك شده یا درحال افزایش یا كاهش ثابت باقی بماند در حالتی كه سیستم به حالت تعادلی رسیده است . قانون دوم برای سیستم بسته ( ولی تفكیك نشده ) مستلزم این است كه هر آنتروپی در سیستم یا در پیرامونش طوری كاهش یابد كه توسط آنتروپی افزوده در قسمت دیگر یا در حد جبران نگردد و در حالیكه این فرایند برگشت پذیر است آنتروپی كلی سیستم به علاوه پیرامونش ثابت باقی می ماند .