الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية

تتم دراسة تحولات الطاقة عن طريق :

(1)الكيمياء الحرارية :

”هي دراسة التغيرات الحرارية المصاحبة للتفاعلات الكيميائية“ .

(2)الديناميكا الحرارية :

”هي دراسة العلاقات الكمية بين الحرارة والشغل وربطهما بجميع الطاقات الأخرى وتحولاتها“.

أهداف دراسة الديناميكا الحرارية 

 1- حساب وتحديد كميات الطاقة المرافقة لحدوث التفاعلات الكيميائية المختلفة.

2- التنبؤ بذاتية ( أو تلقائية ) حدوث العديد من التفاعلات الكيميائية

3- حساب ثابت الاتزان وتحديد الاتجاه لتفاعل ما .

*حدوث العمليات الكيميائية و الفيزيائية يرتبط بمعيارين هما:

أولا: معيار الطاقة:

أ- حرارة (ممتصة أو منطلقة):

* احتراق الوقود ← تحرك سيارة أو طائرة.

ب- بذل شغل ميكانيكى:

* أكسدة الزنك في البطاريات بوسطة (MnO2) يولد كهرباء تدير راديو أو تليفزيون.

ثانيا: معيار الترتيب أو التشتت للماده(أي فوضى):

* التغير في الترتيب او المكونات← زيادة في التغير و التشتت← زيادة حرية الحركة← حدوث تفاعلات كيميائية وفيزيائية بتلقائية ( أي بصورة ذاتية )

*بعض المصطلحات الخاصة يالديناميكا الحرارية:

* الحرارة (Heat):

هي صورة من صور الطاقة التي تمر من جسم الى آخر نتيجة لاختلاف درجة الحرارة بين الجسمين. 

* وحدة وكمية الحرارة :

*السعرcalorie) ):

هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جم من الماء 51م  .

* الحرارة النوعية (ρ) :

هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جم من المادة 51م .

الطـاقة (Energy) :

هي القدرة على أداء عمل أو بذل شغل.

بعض صور الطاقة :

1- طاقة حرارية.

2- طاقة ميكانيكية .    

3- طاقة كهربائية .

4- طاقة ضوئية .

5- طاقة نووية.

6- حتى المادة صورة من صور الطاقة المجمدة .

*من الممكن تحويل أي شكل من أشكال الطاقة الى شكل أخر ( طبقأ لقانون بقاء الطاقة ).

*حتى المادة صورة من صور الطاقة المجمدة

- أي عنصر, أو مركـب يحتوي على مقدار محدد من الطاقة الذاتية (أو الداخـلية) الكـامنة وهـي عبارة عن مجموع عدد من طاقات الوضع والحـركة كما يلي :

ET = Ee + Et + Er + Ev + Em

لايمكـن حساب القيمة المطلقة لأي نوع من انواع الطاقة وإنما يتـم حساب التغـير في الطـاقة (Δ دلتا ) كما يلى:

ΔE = Efinal  - Einitial

الشغــل (work [w]) :

”هو حاصـل ضرب القوة في المسافة التي تحركها تلك القوة في اتجاهها“ .

المسافة × القوة = الشغل 

Distance  ×   Work  =   Force

d    ×   F         = w

بضرب الطرف الأيمن فى (A/A)

dA   ×   F/A      =   w

w      =       PV

عند ثبوت الضغط:

 الشغل الميكانيكي = الضغط × التغير في الحجم

w     =       PΔV

1- لـلمواد الصـلبة والسائلة:

ΔV=0

w← 0

 (ΔV=0)← w=0

2- للغازات:

PV = nRT

PΔV = ΔnRT 

wgas = PΔV = ΔnRT 

مـلحوظـة هـامة :

تعتمد قيمة الشغل على الكيفية أو الطريق ( أي المسار ) الذي حـدث به التغير .

P                                  p                                p                            

                      P1V1                                       P1V1                                     P1V1

P2V2                                        P2V2                              P2V2

الشغل = المساحة المتصـلة أسفل المنحـنى .

w,q  ليـست دوال حـالة لأن قيمتها تعتمد على المسـار أو الطريق الذي حدث به التغير.

دوال الحالة :

”هى الدوال التى تكون لها قيمة التغير (Δ) تتحدد من خلال الفرق بين قيم الحالة النهائية و الحالة الابتدائية للنظام و لا تعتمد على المسـار أو الطريق الذي حدث به التغير“.

مثل:

P ,V,E, G,H,S and  A.

الطاقة الحرارية والطاقة الميكانيكية : المكافيء الميكانيكي للحرارة

1) طاقة حرارية ( حرارة ):

الوحدة :

:( calالسعر (

كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جم من الماء 51 مئوية.

2) طاقة ميكانيكية ( شغل ):

الوحدة :

جول   :( J )

قوة مقدارها 1 نيوتن تؤثر خلال المسافة مقدارها 1 متر.

المكافيء الميكانيكي للحرارة هو:

1 cal = 4.184 J

تجربة جول لتعيين المكافيء الميكانيكي للحرارة:

يتم تسجيل الارتفاع في درجة حرارة الماء عند هبوط أثقال مختلفة لمسافات رأسية مختلفة.

كمية الطاقة الميكانيكية المفقودة = كمية الطاقة الحرارية المكتسبة

الشغل المبذول = الزيادة في كمية الحرارة الممتصة بالماء

المكافىء الميكانيكى للحرارة:

بإجراء تجربة جول حيث يسمح بهبوط أثقال مختلفة متصلة بنظام من بدالات تدور فى وعاء معزول مملؤ بالماء من مسافات رأسية مختلفة وبتسجيل درجة الحرارة فى كل مرة نجد أن :

الشغل المبذول = الزيادة فى كمية حرارة الماء

أو كمية الطاقة الميكانيكية المفقودة = كمية الطاقة الحرارية المكتسبة

وبذلك يمكن التوصل للمكافئ الميكانيكي للحرارة من العلاقة الآتية:

1 cal. = 4.184 J

القانون الصفرى للديناميكا الحرارية

    

    (1)" إذا كان هناك نظامان متلامسان فى حالة اتزان حرارى فلابد أن يكون لهما نفس درجة الحرارة".

    بفرض وجود غاز (A) له حجم (VA) و ضغط (PA) فى حالة اتزان حرارى مع غاز آخر (B) الذي حجمه (VB) و ضغطه (PB) و لم يحدث أى تغير فى الخواص لأي من النظامين فسوف يكون لهما نفس درجة الحرارة و يكون لهما أيضا نفس الأيزوثيرم كما بالشكل التالى:

: ( system )النظام 

”هو جزء من الكون الذي نوجه له الاهتمام بالدراسة العملية أو النظرية.“ 

المحيط Surrouding ) ) :

1) هو ما يحيط بالنظام.

2) هو الكون الذي يؤثر في أو يتأثر بالنظام. 

: ( Boundary ) الحائط أو الحد الفاصل

”هو الجزء الفاصل بين النظام والمحيط ( أي الجدار )“.

أنواع الحائط

أنواع الأنظمة الديناميكا الحرارية

المتغيرات الديناميكية الحرارية :

هي المتغيرات الستة المختلفة والتي يمكن قياسها للنظام والتي تعرف النظام تماما.

المتغير

اسم المتغير

المعادلة الخاصة به

 (2)"عندما يكون هناك نظامان في حالة اتزان حراري و كان أحدهما متزن حراريا مع نظام ثالث فإن النظام الآخر سوف يكون أيضا متزن حراريا مع النظام الثالث ".

و سوف يكون لهم جميعا نفس درجة الحرارة.

           C

أي أن:    TA = TB = TC    

           B

   A

               الأنظمة ( Aو Bو C) لهم جميعا نفس درجة الحرارة