الديناميكا الحرارية
تعريف علم الديناميكا الحرارية
ما هو متعلق بدرجة الحرارة والطاقة الحرارية أو التدفق
الحراري المصاحب لتغيرات الأنظمة الكيميائية أو الفيزيائية .
تطبيقات علم الديناميكا الحرارية :
أ - التطبيقات الهندسية : يستخدم هذا العلم هندسيا في تصميم المحركاتومولدات الطاقة الكهربية وأجهزة التبريد والتكييف .
ب - التطبيقات الكيميائية : هنالك عدة تطبيقات لعلم الديناميكا نذكر منها :
· التغيرات في الطاقة التي ترافق التغير الكيميائي أو الفيزيائي . وبصورة عامة
التغير في الطاقة بين النظام وما يحيط به .
* دراسة إمكانية حصول التفاعل الكيميائي تلقائيا
* اشتقاق الصيغ والقوانين المكتشفة تجريبيا وبناؤها على أساس نظري فمثلا :- يمكن اشتقاق واثبات قوانين التوازن الكيميائي
- يمكن اشتقاق قانون هس للمحتوى الحراري والذي يعتبر حالة خاصة للقانون
الأول للديناميكا الحرارية .
- يمكن اشتقاق معادلة كلابيرون - كلاوزيوس المتعلقة بالتوازن بين الأطوار
- يمكن اشتقاق معادلة قاعدة الطور أو الصنف
المفاهيم الأساسية في الديناميكا الحرارية
تعريف النظام ( System ) : هو جزء من الكون الذي يحدث فيهالتغير الكيميائي أو الفيزيائي أو هو الجزء المحدد من المادة التي
توجه إليه الدراسة .
المحيط ( Surroundings ) :
هو الجزء الذي
يحيط بالنظام ويتبادل
معه الطاقة في شكل
حرارة أو
شغل ويمكن أن
يكون حقيقي أو
وهمي .
مثال
: عند إضافة
محلول حمض الهيدوكلوريك
إلى محلول
هيدوركسيد الصوديوم في
كأس زجاجي فأن :
*
النظام هو محلول
الحمض والقاعدة
* حدود النظام
هي جدران الكأس *
المحيط هو باقي
الكون حول النظام
بناء
على الطريقة التي
يتبادل بها النظام
الطاقة والمادة مع المحيط
قسمت الأنظمة
إلى ثلاث أنواع
:
أ - النظام المفتوح ( Open
System ) وهو
النظام الذي يسمح
بتبادل كل
من
المادة والطاقة بين
النظام والوسط المحيط
.
ب - النظام المغلق (
Closed System ) وهو
الذي يسمح بتبادل
الطاقة فقط
بين
النظام والوسط المحيط
على صورة حرارة
أو شغل .
ج - النظام المعزول ( Isolated
System ) وهو
الذي لا يسمح
بانتقال أي
من
الطاقة والمادة بين
النظام والوسط المحيط
خواص النظام (
Properties of a
System )
يمكن تقسيم
الخواص الطبيعية للنظام
إلي مجموعتين :
أ - خواص شاملة (
Extensive Properties ) وهي
الخواص التي تعتمد على
كمية المادة
الموجودة في
النظام مثل الكتلة ،
الحجم ، السعة الحرارية
، الطاقة الداخلية
، الانتروبي ،
الطاقة الحرة
ومساحة السطح والقيمة
الكلية بالنسبة لهذه
الخواص تساوي مجموع
القيم
المنفصلة
لها .
خواص
مركزة Properties
)
Intensive )
وهي الخواص التي
لا تعتمد على
كمية
المادة الموجودة في
النظام مثل الضغط ،
درجة الحرارة ، الكثافة
، التوتر
السطحي ، القوة
الدافعة الكهربية والجهد
الكهربي . كل هذه الخواص
مميزة
للمادة
ولكن لا تعتمد
على كميتها .
الاتزان الديناميكي الحراري
( Thermodynamic
Equilibrium )
يمكن
تقسيمه إلى ثلاث
أنواع :
أ - الاتزان الميكانيكي ( Mechanical
Equilibrium ) ويحدث
هذا النوع من
الاتزان
عندما لا يحدث
أي تغير ميكروسكوبي
للنظام مع الزمن
.
ب - الاتزان الكيميائي ( Chemical
Equilibrium ) ويحدث
هذا النوع من
الاتزان عندما
لا يحدث
تغير في تركيز
المادة مع الزمن
.
ج - الاتزان
الحراري ( Thermal
Equilibrium ) ويحدث هذا النوع
من الاتزان عندما
تتساوى
درجة حرارة النظام
مع الوسط المحيط
به ويتمثل هذا
الاتزان في القانون
الصفري
للديناميكا الحرارية
الذي ينص على أنه :
إذا تواجد نظامان
في حالة اتزان
مع نظام ثالث
فأن
النظامين يكونان
في حالة اتزان
مع بعضيهما .
يحدث التغير في حالة
النظام عند ظروف
مختلفة ، نلخصها في
الأتي :
العملية الاديباتيكية ( Adiabatic
Process ) وهي
التي لا يفقد
النظام أو يكتسب
خلالها
طاقة حرارية
من الوسط .
العملية الأيزوثيرمالية ( Isothermal
Process ) هي
العملية التي تحدث
عند ثبات
الحرارة
( بناء على
ذلك يحدث ثبات
الطاقة الداخلية ) .
العملية الآيزوبارية ( Isobaric
Process )
هي العملية التي
تحدث عند ضغط
ثابت .
العملية الآيزوكورية ( Isochoric
Process )
هي العملية التي
تحدث عند حجم
ثابت .
العملية الدائرية ( Cyclic
Process ) هي
العملية التي يتحرك
فيها النظام في شكل
دائري
ويرجع لموقعه الأول
( أي لا
تتغير طاقته الداخلية
) .
الطاقة ( Energy )
الطاقة (
E ) هي
الشغل ( w ) المنجز
أو المستهلك من
قبل المادة .
ويمكن توضيح
العلاقة بين الطاقة
( E ) والمادة
ممثلة بكتلتها ( m ) كما
يلي :
E =
w
= F x
d
=
m x a x d
=
m x d x ( v / t )
= m x v x ( d/t )
=
m x v x v = m x v2
أي أن
الطاقة تساوي حاصل
ضرب كتلة المادة
في مربع سرعة
هذه المادة ، وهي
تشابه
معادلة آينشتاين
Einstein التي
حدد فيها أن
طاقة الجسم الذي
يتكون منه الضؤ
والمسمى
بالفوتون ( E ) تساوي حاصل ضرب كتلته
في مربع سرعته
التي تساوي سرعة الضؤ c
E
= m x c2
من الناحية الميكانيكية
تقسم الطاقة لنوعان :
أ - الطاقة الحركية :Kinetic
Energy ( K. E )
ومقدارها يعتمد على
كتلة الجسم ( m )
وعلى
سرعته v وتساوي :K E
= 1/2 m v2
مثال :
أحسب طاقة حركة
جسم كتلته 60 kg وسرعته
20 km / h ؟
الحل
: K . E = 1/2 m
v2 =
1/2 x 60 x ( 20
x 1000 ) / 60 x 60
= 925. 925 J
ب - الطاقة الوضعية (
P . E ) Potential E nergy ومقدارها
يعتمد على كتلة
الجسم
( m ) وعلى
تسارعه ( a ) والمسافة
التي يقطعها (
d ) .
P . E =
m x a x d
مثال :
جسم يتحرك بتسارع
يساوي (
20 m / s2
)
وكتلته تساوي ( 300 kg ) أحسب
طاقة
وضعه إذا قطع
مسافة قدرها 10 m ) ) ؟
الحل : P .E
= m x a x d
= 300 kg
x 20 m/s2 x10 m
= 6000
kg m2 / s2
= 6000
J = 60 kJ
كل صور
الطاقة لها الوحدات
Mass x
( length )2 / ( Time )2
أي كتلة x (
المسافة )2 / (
الزمن )2 وعليه
يمكن أن تكون
الطاقة بوحدة الايرج Erg ) ) أو
بوحدة الجول ( Joule ) أو السعر الحراري Calory) )
.
وحدة
الطاقة في النظام
( cgs )
وهو فرنسي الأصل
ويعني ( cm .
gram . sec ) هي
الايرج ويعرف
بأنه مقدار الشغل
المبذول عندما تعمل
قوة مقدارها واحد
داين لمسافة
قدرها سم
واحد .
الداين هو القوة
التي تعطي عجلة
مقدارها 1 .0 cm
/ sec2 لجسم
كتلته واحد جرام
.
العلاقات
بين الوحدات
Calory =
4.18 J
Joule = 107 erg
Atom.. L
= 24.23 cal
= 101.3 J
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
سجل إعجابك وشارك زملاءك لتصلكم مواضيعنا القادمة إن شاء الله تعالى
يمكنكم الإنضمام إلى الموقع من قائمة المتابعون في اليسار
تعليقات