التحولات الترموديناميكية
تحولات ترموديناميكيه
Thermodynamic processes -
التحولات الترموديناميكية
التحول المتساوي الحجم isochoric process
التحول المتساوي الضغط isobaric process
التحول المتساوي الدرجة isothermal process
يُعرَّف التحول الترموديناميكي thermodynamic process بأنه مجموعة من التغيرات والتحولات تطرأ على حالة الجملة system state في أثناء انتقالها من حالة توازن حراري أولي إلى حالة أخرى نتيجة تطبيق مؤثر خارجي على الجملة، أو قيام الجملة نفسها بعمل ما. ويمكن أن تكون هذه العملية مغلقة تعود بعدها الجملة إلى الوضع الابتدائي؛ أومفتوحة تقف فيها الجملة عند أي حالة جديدة. يُقصد بالحالة التوازنية للجملة الحالة التي تكون فيها جميع الخواص الفيزيائية ومتحولات الجملة مثل الضغط والحجم ودرجة الحرارة ذاتها في جميع نقاط الجملة ولا تتغير مع الزمن.
يترافق تحول الجملة بين حالتي توازن مختلفتين مع تغير العديد من المتحولات الترموديناميكية والتوابع الفيزيائية المختلفة الخاصة بها الجملة؛ مثل الضغط ودرجة الحرارة والطاقة الحرارية المتبادلة بين الجملة والوسط المحيط بها والطاقة الداخلية والأنتروبية وغيرها. وترتبط متحولات الضغط (P) ودرجة الحرارة (T) والحجم (V) بعضها مع بعض وفق علاقة رياضية تدعى معادلة الحالة للجملة. ويمكن التمييز بين نوعين من الجمل، خصوصاً من أجل الجمل الغازية، وهما: الجملة المثالية والجملة الحقيقية، فيُلاحظ -على سبيل المثال- في الجملة المثالية معادلة الحالة للغازات ضمن شروط خاصة المعادلة (1):
 |
حيث n عدد مولات الغاز المدروس، وR ثابت الغاز العام.
أما الحالة الواقعية المقابلة فيُعبَّر عنها عامةً بما يعرف بمعادلة فاندرفالس Van der Waals المعادلة (2):
 |
حيث a وb ثابتان يختلفان باختلاف الغاز.
بهدف وصف التغيرات التي تطرأ على حالة الجملة عند قيامها بتحول ما يجب الربط بين ما يعرف بتوابع الحالة functions of state للجملة والتي لا يمكن قياسها مباشرة مثل الأنطلبية H والطاقة الداخلية U والأنتروبية S وكمية الحرارة Q والمتحولات الأساسية التي تعيَّن مباشرة بالقياس مثل الضغط والحجم ودرجة الحرارة، فعلى سبيل المثال يمكن حساب قيم التوابع الترموديناميكية لجملة غاز مثالي عند تحول متساوي الحجم (أي بقاء الحجم ثابتاً في التحول) فيعطى تغير الطاقة الداخلية بالعلاقة (3):
 |
حيث
السعة الحرارية تحت حجم
ثابت. وتغير الأنطلبية معطى
بالعلاقة (4):
 |
حيث
السعة الحرارية تحت ضغط ثابت. وتغير
الأنتروبية المقابل بالعلاقتين (5
و6):
 |
 |
يمكن الإشارة إلى الحالات الخاصة لكل من هذه التوابع عند دراسة كل نوع من أنواع التحولات الترموديناميكية. يضاف إلى التحولين المهمين المذكورين تحول متساوي درجة الحرارة، ولهذه التحولات تطبيقات عملية وهندسية في الصناعة ولاسيما في صناعة المحركات والمكيفات والبرادات. يضاف إليها أيضاً التحولات الكظومة (حيث لا تتبادل الجملة طاقة حرارية فتكون معزولة حرارياً). ويمكن أن توجد تحولات مختلطة منها.
التحول المتساوي الحجم isochoric process
هو التحول الذي تنتقل به الجملة من حالة توازن إلى حالة أخرى مع بقاء حجمها ثابتاً في أثناء التغيّر؛ أي (ثابت= V) أوdV=0. وتحدث هذه العملية عند تسخين غاز في وعاء ذي جدران محكمة الإغلاق، مما يسبب زيادة في درجة الحرارة والضغط داخله في حين يبقى حجم الغاز ثابتاً؛ أي تبقى العلاقة (7) محققة دوماً:
 |
وبما أن الحجم لا يتغير خلال التحول
فان مقدار العمل الذي تتبادله الجملة مع الوسط المحيط يكون معدوماً,
أي:
،
لكن ذلك يرافقه تغير بالطاقة الداخلية للجملة وكمية الحرارة المتبادلة بين
الجملة والوسط، وبالتالي تغير في أنتروبية هذه الجملة وفق المعادلات (8،
9،
10):
 |
 |
 |
التحول المتساوي الضغط isobaric process
هو التحول الذي تقوم به الجملة عند انتقالها بين حالتي توازن مختلفتين مع بقاء الضغط ثابتاً خلاله؛ أي (P= ثابت وdP=0)، كأن يجري تحت الضغط الجوِّي النظامي. وقد دُرست هذه الظاهرة في الغازات من قبل الفيزيائي والكيميائي الفرنسي غي لوساك Joseph Louis Gay-Lussac حيث تبين أن نسبة الحجم إلى درجة الحرارة للجملة تبقى ثابتة عند التحول الثابت الضغط، فعند تقديم كمية من الحرارة للجملة خلال عملية متساوية الضغط؛ فإن درجة الحرارة سوف ترتفع ويزداد حجم الجملة أيضاً، والعكس صحيح. ويمكن تمثيل هذه العملية بيانياً بخط مستقيم، كما في الشكل (1).
 |
| الشكل (1). |
ينتج من معادلة الغاز الكامل عند ثبات الضغط المعادلة (11):
 |
يكون تغير الحجم في هذا النوع من التحولات متناسباً طرداً مع تغيير القيم المطلقة لدرجة الحرارة.
يمكن تعيين التوابع الترموديناميكية التي ترافق هذا النوع من التحولات وفق المعادلات الآتية، فالعمل W يعطى بالعلاقة (12):
 |
والأنطلبية وتغير الطاقة الداخلية بالعلاقتين (13 و14):
 |
 |
أما مقدار تغير أنتروبية الجملة فيعين من المعادلة (15):
 |
التحول المتساوي الدرجة isothermal process
يعرف بأنه التحول الذي تقوم به
الجملة بين حالتين توازنيتين مختلفتين مع بقاء درجة حرارة الجملة ثابتة
T=Const
أوdT=0،
ويعبر عن هذا التحول بالمنحني متساوي الدرجة في جملة المتحولات
P=
f(V).
إذا كانت الجملة المدروسة غازاً كاملاً تكون الطاقة الداخلية للغاز تابعة فقط
لدرجة الحرارة، وبما أن درجة الحرارة تبقى ثابتة في هذا التحول؛ فإن تغير
الطاقة الداخلية للغاز يكون معدوماً؛ أي
.
وبحسب القانون الأول في الترموديناميك تتحقق المعادلة (16):
 |
أي إن الطاقة الحرارية المقدمة للجملة تخرج إلى الوسط على شكل عمل من دون تغيير في طاقتها الداخلية، وبما أن درجة الحرارة T خلال هذا التحول تبقى ثابتة. تُكتب المعادلة الممثلة لهذا التحول باستعمال معادلة الحالة للغاز الكامل وفق المعادلة (17):
 |
تُعبِّر هذه العلاقة عن قانون بويل-ماريوت Boyle-Marriotte Law الذي يبين التناسب العكسي بين الضغط والحجم عند ثبات درجة الحرارة، فإذا انتقلت الجملة بين حالتين مختلفتين تتحقق المعادلة (18):
 |
إن المنحني المميز لهذا التحول P(v) هوعلى شكل فرع من قطع زائد كما في الشكل (2)؛ الذي يبين أنه عند اختلاف درجة الحرارة T للجملة يوجد منحنٍ يمثل منحنياً آخر متساوي الدرجة أيضاً.
 |
| الشكل (2). |
يمكن حساب قيمة العمل الذي تقوم به جملة مكونة من غاز مثالي خلال التحول متساوي الدرجة من العلاقة (19):
 |
على الرغم من ثبات درجة الحرارة في هذا التحول فإن تغير الضغط والحجم يسبب تغيراً في أنتروبية الجملة يمكن حسابه من العلاقة (20):
 |
ونظراً لكون أنطلبية الغاز المثالي تتبع درجة الحرارة فقط كما الطاقة الداخلية فهي مساوية للصفر أيضاً.
تجري جميع التحولات في الطبيعة تلقائياً في اتجاه واحد فقط، فهي في الواقع تحولات غير عكوسة؛ مثل انتقال الحرارة من الجسم الحار إلى الجسم البارد، وانتشار الغاز من منطقة الضغط المرتفع إلى منطقة الضغط المخفض، وكذلك تحول الطاقة الميكانيكية إلى حرارة عن طريق الاحتكاك. فجميع هذه التحولات لا تحدث بالاتجاه المعاكس في الطبيعة تلقائياً، لذلك تسمى تحولات لاعكوسة. إن أهم عامل يمكن استخدامه للتمييز بين النوعين من التحولات العكوسة واللاعكوسة هوتابع الأنتروبية، حيث يكون مقدار تغير هذا التابع معدوماً في التحولات العكوسة، في حين قيمة تغير هذا التابع موجبة من أجل التحولات اللاعكوسة.
توفر دراسة مثل هذه التحولات أو سلسلة منها إمكان الوصول إلى أفضل مردود لأي عملية حرارية أوكيميائية، فعندما تعود سلسلة التحولات التي تقوم بها الجملة إلى وضعها الابتدائي فإن الجملة تكون قد قامت بإنجاز ما يعرف بالدورة الترموديناميكية المغلقة، حيث تعد هذه الدورات الأساس في عمل كل المحركات الحرارية والمبردات، وتختلف هذه الدورات فيما بينها بطبيعة التحولات التي تتألف منها كل دورة. ونظراً لكون التحولات الترموديناميكية التي تقوم بها الجملة يمكن أن تتم في اتجاه مباشر تلقائي طبيعي؛ أوالاتجاه المعاكس قسرياً حيث يتطلب ذلك تقديم عمل خارجي للجملة لإنجاز هذا التحول العكسي؛ لذلك فإن الدورات الترموديناميكية أيضاً يمكن أن تكون مباشرة تلقائية أو عكسية قسرية. ويمثل النوع الأول من الدورات المحركات الحرارية التي تقوم بنقل الحرارة من منطقة درجة الحرارة المرتفعة إلى منطقة درجة الحرارة المنخفضة على نحو طبيعي. أما النوع الثاني من الدورات -مثل المضخات الحرارية (البرادات، المكيفات)- فتعمل على نقل الحرارة من منطقة الدرجة المنخفضة إلى منطقة الدرجة المرتفعة، ويتطلب ذلك تقديم عمل خارجي للجملة للقيام بذلك.
كنج الشوفي
|
مراجع للاستزادة: - Y. Cengel, M. Boles, M. Kanoglu, Thermodynamics: An Engineering Approach, McGraw-Hill Education, 2018. - M. J. Moran, H. N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons, Inc, 2006.
|
- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد السابع مشاركة :
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
