التحول المكظوم
تحول مكظوم
Adiabtic preocess -
التحول المكظوم
التحول المكظوم
adiabatic
process
هو التحول الذي يحدث في جملة عندما
تنتقل بين حالتين ترموديناميكيتين مختلفتين من دون حدوث أي تبادل للطاقة
الحرارية بين الجملة والوسط المحيط بها، فهو مكظوم إذا أجبرت الجملة على عدم
التبادل وكظوم إذا لم تتبادل الجملة الحرارة ذاتياً، نظراً لسرعة تحولها مثلاً.
فإذا كان
كمية الحرارة المتبادلة بين الجملة والوسط المحيط؛ فإن التحول الكظوم يتحقق
عندما يكون:
.
كما يطلق أحياناً على هذا النوع من التحولات اسم التحول المعزول حرارياً.
فللحصول على خواص هذا التحول والقوانين الأساسية التي تحكم التحولات الكظومة، لا بد من تطبيق القوانين الأساسية في الترموديناميك على الجملة التي تقوم بمثل هذا التحول.
يعطى القانون الأول في الترموديناميك في حالة تحول شبه سكوني بين حالتين مختلفتين بالعلاقة (1):
 |
حيث
dU
تغير الطاقة الداخلية للجملة، وPdV
العمل الذي تتبادله الجملة التي افترضت هنا أنها تخضع لضغط متماثل الاتجاهات،
كما في حالة الجملة الغازية، و P
الضغط و dV
تغير الحجم V.
وفي حال كان التحول كظوماً يكون
وتصبح
المعادلة السابقة المعادلة (2):
 |
و في حال كانت الجملة المدروسة
غازاً كاملاً؛ يمكن إعادة كتابة المعادلة السابقة بالاستفادة من كون الطاقة
الداخلية تساوي
ومعادلة الغاز الكامل لجزيء غرامي
واحد، PV=RT،
حيث T
درجة حرارة الغاز المطلقة (كلفن)، فتكتب المعادلة (3):
حيث
السعة الحرارية للمادة المدروسة بثبات الحجم،
R
ثابت الغازات العام الذي يساوي
حيث
السعة الحرارية بثبات الضغط، ومن ثم
تصبح المعادلة الأخيرة بعد إجراء التكاملات اللازمة المعادلة (4):
 |
تعرف المعادلة الأخيرة (4)
بالمعادلة المميزة للتحول الترموديناميكي الكظوم، حيث يمثل الثابت
النسبة بين السعتين الحراريتين
و
،
وباستخدام خواص الغاز الكامل ومعادلاته يمكن التعبير عن المعادلة الأخيرة بأحد
المعادلات (5،
6،
7):
 |
 |
 |
كذلك يكون
في التحول المكظوم، أي إن
العمل الناتج من هذا التحول يساوي تغير الطاقة الداخلية للجملة ويخالفها
بالإشارة. فيتضح من هذه النتيجة أنه عند تمدد الغاز بشكل كظوم؛ فإن
W
يكون موجباً بسبب ازدياد حجم الغاز و
يكون سالباً، ومن ثم فإن درجة حرارة الغاز سوف تنخفض. وفي الحالة المعاكسة عند
انضغاط الغاز بشكل مكظوم يكون العمل سالباً ويكون تغير الطاقة الداخلية موجباً،
ومن ثمّ ترتفع درجة حرارة الغاز.
أيضاً يعرف تغير الأنتروبية dS وفق القانون الثاني في الترموديناميك بالعلاقة (8):
 |
وقد أضيف الدليل R للإشارة إلى حالة كون التحول عكوساً، وعندما تقوم الجملة بتحول كظوم بين حالتين مختلفتين تكون كمية الحرارة المتبادلة بين الجملة والوسط معدومة. وقد تكون التحولات الترموديناميكية في الحالة العامة عكوسة أو لاعكوسة. فإذا كان التحول الكظوم عكوساً فإن تغير أنتروبية الجملة في أثناء هذا التحول يكون معدوماً، أي: dS =o. ومن ثمّ يكون التحول الكظوم مرافقاً ثبات الأنتروبية، S = const، لذلك يطلق عليه أحياناً التحول المتساوي الأنتروبية Isentropic. وقد جرت العادة تمثيل تحولات الجملة بيانياً بما يعرف بمخططات T-S. ففي حالة التحول الكظوم يكون جزء المنحني مستقيماً. يمثل الشكل (1) مخطط T-S لتحولين مختلفين كظومين ومتساويي الدرجة.
 |
|
الشكل (1) |
حيث DA وBC تحولان مكظومان. تفيد مثل هذه المخططات في حساب مردود الآلات الحرارية المختلفة.
أما فيما يخص التحول الكظوم اللاعكوس فإن أنتروبية الجملة تكون غير ثابتة قي أثناء هذا التحول، ومن ثم يحدث ازدياد في قيمة الأنتروبية وكذلك يكون مقدار التغير في أنتروبية الجملة موجباً، كما في العلاقة (9):
 |
كي تقوم الجملة بتحول كظوم من دون حدوث أي تبادل للحرارة بين الجملة والوسط المحيط لا بد من تحقيق عزل حراري تام ومحكم للجملة؛ وهذا ما يصعب تحقيقه فعلياً. كما يمكن أيضاً أن يتحقق مثل هذا التحول عندما تحدث العملية بسرعة كبيرة بحيث لا تستطيع مكونات الجملة تبادل الحرارة مع الوسط، ومن الأمثلة على ذلك تمدد الغاز في محركات الاحتراق الداخلي، والتمدد الحر للغازات.
تعمل معظم الآلات الحرارية وفق نظام تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي أو العكس. مثل المحركات الحرارية والمبردات؛ إذ يقوم مبدأ عمل هذه الآلات على مجموعة من التحولات الترموديناميكية تقوم بها المادة العاملة (الغاز مثلاً) في الآلة للحصول على دورة ترموديناميكية مغلقة تعيد عمل الآلة على نحو دوري ومستمر للحصول على كامل العمل المطلوب إنجازه.
يعد محرك كارنو
Carnot
cycle
أو برّاد كارنو أشهر أنواع هذه الآلات. وتأتي شهرتهما المثالية النظرية من
امتلاكهما أعلى مردود بسبب عكوسية الدورة التي تعمل وفقها، ويمكن البرهان على
أن هذه الصيغة مكافئة للقانون الثاني في الترموديناميك الذي يفترض فيه قيام غاز
كامل بإنجاز دورة ترموديناميكية تعمل بين درجتي حرارة محددتين (مرتفعة
ومنخفضة
)
وهما درجتا حرارة عمل الآلة. وتتألف الدورة التي تعمل وفقها آلة كارنو من أربعة
تحولات عكوسة؛ اثنان كظومان واثنان متساويا الدرجة. يوضح الشكل (2)
مخطط هذه الدورة.
 |
| الشكل (2) |
تعمل المرحلتان الكظومتان ab و cd على رفع درجة حرارة الجملة أو خفضها إلى الدرجة المطلوبة عن طريق تمدد كظوم أو انضغاط كظوم للغاز المستعمل من دون حدوث تبادل للطاقة الحرارية بين الجملة والوسط.
ويشار إلى وجود آلات أخرى فعلية تعمل وفق دورات ترموديناميكية مختلفة، تشترك جميعها باحتوائها على تحولات كظومة. مثال ذلك محرك الاحتراق الداخلي أو ما يعرف بمحرك الغازولين الذي يعمل وفق الدورة الترموديناميكية المبينة بالشكل (3):
لكن مردود أي منها أخفض من مردود محرك كارنو.
كنج الشوفي
- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد السابع مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
