ترمودینامیک

ترمودینامیک شاخه ای از علوم طبیعی و مرتبط با گرما و ارتباط آن با انرژی و کار است. این تعریف متغیرهای ماکروسکوپیک (مانند دما، انرژی داخلی، آنتروپی، و فشار) که مواد و پرتو را مشخص می کند، و توضیح می دهد که چگونه هستند و چه قوانینی است که آنها با زمان تغییر می کند مربوط است. ترمودینامیک توصیف رفتار به طور متوسط ​​از تعداد بسیار زیادی از ترکیبات میکروسکوپی، و قوانین آن را می توان از مکانیک آماری مشتق شده است.

ترمودینامیک به طیف گسترده ای از موضوعات در علوم و مهندسی مانند موتور، انتقال فاز، واکنش های شیمیایی، پدیده حمل و نقل، و حتی سیاه چاله ها است. نمایش نتایج: از شماره محاسبات ترمودینامیکی ضروری برای زمینه های دیگر از فیزیک و شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک، زیست شناسی سلولی، مهندسی پزشکی، و علم و مواد مفید در سایر زمینه ها از جمله اقتصاد است. [1] [2]

بخش عمده ای از محتوای تجربی از ترمودینامیک است در چهار قوانین موجود است. قانون اول ادعا میکند وجود یک مقدار به نام انرژی داخلی یک سیستم است که از انرژی جنبشی جنبش فله از سیستم و از انرژی پتانسیل خود را با توجه به محیط اطراف خود را تشخیص می باشد. قانون اول متمایز انتقال انرژی بین سیستم های بسته به صورت گرما و به عنوان کار می کند. [3] [4] [5] قانون دوم نگرانی دو مقدار به نام دما و آنتروپی است. آنتروپی بیان محدودیت، ناشی از آنچه که به عنوان برگشت ناپذیری شناخته می شود، در مقدار کار ترمودینامیکی است که می تواند توسط یک فرایند ترمودینامیکی به یک سیستم خارجی تحویل داده شده است. [6] دما، خواص آن را نیز تا حدی توسط قانون 0 ترمودینامیک توصیف، . جهت جریان انرژی را به صورت گرما بین دو سیستم در تماس حرارتی است و. مفاهیم عقل سلیم "گرم" و "سرد".

از لحاظ تاریخی، ترمودینامیک از تمایل به افزایش بازده موتورهای بخار اولیه، به ویژه از طریق کار فیزیکدان فرانسوی نیکولا لئونارد سعدی کارنو (1824) که بر این باور بودند که بهره وری از موتورهای گرما کلیدی است که می تواند کمک به فرانسه برنده جنگهای ناپلئونی بود است. [7] بریتانیا لرد کلوین فیزیکدان ایرلندی متولد اولین بار به تدوین و فرموله کردن یک تعریف مختصر از ترمودینامیک در سال 1854 بود: [8]

    ترمو دینامیک موضوع رابطه گرما به نیروهای عمل کننده بین بخش های به هم پیوسته از بدن و رابطه گرما به آژانس الکتریکی است.

در ابتدا، ترمودینامیک نگران از موتورهای حرارتی به طور عمده خواص حرارتی خود را به مواد کار، مانند بخار. این نگرانی شد و سپس به مطالعه انتقال انرژی در فرایندهای شیمیایی، به عنوان مثال در ارتباط با تحقیقات منتشر شده در سال 1840، گرم از واکنش های شیمیایی [9] ژرمن هس، که در اصل به صراحت در رابطه با ارتباط بین مبادلات انرژی گرما و کار. مطالعات ترمودینامیک شیمیایی نقش آنتروپی در واکنش های شیمیایی است. [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] همچنین، ترمودینامیک آماری، مکانیک آماری، به توضیحات ترمودینامیک ماکروسکوپی با پیش بینی های آماری از حرکت جمعی ذرات بر اساس مکانیک رفتار میکروسکوپی خود.

معرفی

ترمودینامیک اصطلاح ساده اشاره دارد به شرح ماکروسکوپی اجسام و فرآیندهای است. [19] "هر گونه اشاره ای به قانون اساسی اتمی ترمودینامیک کلاسیک خارجی است". [20] ترمودینامیک آماری اشاره به مدت واجد شرایط شرح بدن و فرآیندها در قوانین و مقررات قانون اساسی اتمی ماده، به طور عمده توسط مجموعه از اقلام همه به طور یکسان، به طوری که به احتمال برابر است.

ترمودینامیک برخاسته از مطالعه انتقال انرژی است که می تواند به شدت به دو قسمت مجزا، گرما و کار، مشخص شده توسط متغیرهای ماکروسکوپیک حل و فصل است. [21] [22]

یکی از مهم ترین مفاهیم ترمودینامیک، تعادل ترمودینامیکی است. [23] دمای یک سیستم در حالت تعادل ترمودینامیکی است که به خوبی تعریف شده است، و شاید مقدار مشخصه ترمودینامیک. به عنوان سیستم ها و فرآیندهای مورد علاقه بیشتر از تعادل ترمودینامیکی صورت گرفته است، مطالعه دقیق thermodynamical خود را سخت تر می شود. محاسبات تقریبی نسبتا ساده است، با این حال، با استفاده از متغیرهای ترمودینامیک تعادل، از ارزش عملی در مهندسی هستند. در بسیاری از موارد مهم، عملی مانند موتورهای گرما یا یخچال، سیستم بسیاری از زیر سیستم در درجه حرارت و فشارهای مختلف تشکیل شده است. در عمل، محاسبات ترمودینامیکی برخورد موثر با این سیستم های پیچیده پویا ارائه متغیرهای ترمودینامیکی تعادل به اندازه کافی نزدیک به خوبی تعریف شده است.

پایه ترمودینامیک مفاهیم سیستم و محیط اطراف است. [14] [24] محیط از یک سیستم ترمودینامیکی ترمودینامیک سیستم های دیگر است که می تواند با آن ارتباط برقرار. به عنوان مثال ترمودینامیکی اطراف حمام گرما، که در نظر گرفته شده است که در یک درجه حرارت مقرر برگزار می شود، بدون در نظر گرفتن از فعل و انفعالات آن ممکن است با سیستم است.

دو نوع اساسی از نهاد در ترمودینامیک، ایالات متحده از یک سیستم، و فرآیندهای یک سیستم وجود دارد. این اجازه می دهد تا دو رویکرد اساسی به استدلال ترمودینامیکی، که در قوانین و مقررات متحده یک سیستم، و در شرایط استفاده از فرآیندهای چرخه ای از یک سیستم است.

یک سیستم ترمودینامیکی را می توان در ایالات آن تعریف شده است. در این روش، یک سیستم ترمودینامیکی یک شیء ماکروسکوپی فیزیکی، به صراحت در شرایط استفاده از متغیرهای فیزیکی و شیمیایی ماکروسکوپی که توصیف خواص ماکروسکوپی آن مشخص شده است. متغیرهای حالت ماکروسکوپی ترمودینامیک در این دوره از کار تجربی در فیزیک و شیمی به رسمیت شناخته شده اند. [15]

یک سیستم ترمودینامیکی نیز می تواند در شرایط استفاده از فرآیندها می توان آن را تحت تعریف شده است. از علاقه خاص، فرایندهای چرخهای هستند. این راه از بنیانگذاران ترمودینامیک در سه چهارم قرن نوزدهم بود.

برای ترمودینامیک و ترمودینامیک آماری به درخواست به یک روند در بدن، لازم است که مکانیسم های اتمی سقوط فرایند را به دو طبقه:

    کسانی که بسیار سریع که در چارچوب زمانی در روند بهره، ایالات اتمی به طور موثر بازدید از محدوده در دسترس خود، آوردن سیستم به حالت تعادل ترمودینامیکی داخلی و
    کسانی که کند به طوری که پیشرفت آنها را می توان در چارچوب زمانی در روند بهره غفلت قرار گرفته است. [25] [26]

مکانیسم های سریع اتمی میانجی گری تغییرات ماکروسکوپی که از علاقه برای ترمودینامیک و ترمودینامیک آماری، چرا که آنها سرعت سیستم را نزدیک به اندازه کافی به تعادل ترمودینامیکی است. "زمانی که نرخ متوسط ​​در حال حاضر، ترمودینامیک و مکانیک آماری را می توان اعمال نمی شود. [25] چنین فرآیندهای نرخ متوسط ​​اتمی سیستم نزدیک به اندازه کافی به تعادل ترمودینامیکی در قاب زمان از روند ماکروسکوپی از علاقه نمی آورد. این جدایی از مقیاسهای زمانی از فرایندهای اتمی یک موضوع است که عود در سراسر این موضوع است.

به عنوان مثال، ترمودینامیک کلاسیک با مطالعه آن از مواد که دارای معادلات معادلات مشخصه یا دولت مشخص می شود. آنها بیان روابط بین متغیرهای ماکروسکوپیک مکانیکی و درجه حرارت هستند که بسیار سریع تر از پیشرفت از هر گونه تغییرات تحمیلی در اطراف رسیده و در متغیرهای اثر حالت تعادل ترمودینامیکی هستند. آنها بیان مختصات ساختاری از مواد از سیستم است. مواد کلاسیک معمولا می توان توسط یک تابع است که باعث فشار وابسته به حجم و دما، فشار به دست آمده که بسیار سریع تر از هر گونه تغییر تحمیلی از حجم یا دما تاسیس شده است. [27] [28] [29] [30]

مقاله حاضر طول می کشد یک رویکرد تدریجی به این موضوع، با شروع با تمرکز بر فرایندهای چرخهای و تعادل ترمودینامیکی، و پس از آن به تدریج شروع به در نظر گرفتن عدم تعادل سیستم است.

حقایق ترمودینامیکی، اغلب می تواند با مشاهده اجسام ماکروسکوپی را به عنوان مجموعه های بسیاری از اجسام میکروسکوپی یا اتمی است که اطاعت دینامیک هامیلتونی توضیح داده شده است. [14] [31] [32] از اجسام میکروسکوپی یا اتمی در گونه ها وجود دارد، اشیاء از هر گونه که همه به طور یکسان است. به دلیل این شباهت، روش های آماری را می توان به حساب برای خواص ماکروسکوپی سیستم ترمودینامیکی از خواص از گونه های میکروسکوپی استفاده می شود. توضیح چنین ترمودینامیک آماری نامیده می شود، اغلب از آن نیز به "مکانیک آماری این اصطلاح اشاره، هر چند این اصطلاح را به معنای گسترده تر، با اشاره به اجسام میکروسکوپی، مانند مقادیر اقتصادی، که دینامیک هامیلتونی اطاعت کنید.

تاریخ

تاریخچه ترمودینامیک به عنوان یک رشته علمی، به طور کلی با اتو فون Guericke که، در سال 1650، ساخته شده و طراحی شده در جهان اولین پمپ خلاء و خلاء با استفاده از نیمکره ماگدبورگ خود را نشان داد، آغاز می شود. Guericke به ایجاد یک خلاء به منظور رد ارسطو طولانی برگزار فرض که طبیعت نفرت دارد خلاء رانده شد. مدت کوتاهی پس از Guericke، فیزیکدان و شیمیدان رابرت بویل از طرح Guericke را آموخته بود و، در سال 1656، در هماهنگی با دانشمند رابرت هوک، ساخته شده پمپ هوا. [34] با استفاده از این پمپ، بویل و هوک متوجه ارتباط بین فشار، دما، و حجم. در آن زمان، قانون بویل، تنظیم و فرموله شد و بیان کرد که برای یک گاز در دمای ثابت، فشار و حجم آن معکوس متناسب است. در سال 1679، بر اساس این مفاهیم، ​​وابسته به نام بویل دنیس Papin ساخته شده هاضم بخار، که یک ظرف در بسته با درب محکم شایسته است که بخار محدود تا زمانی که فشار بالا تولید شده بود.

پس از آن طرح پیاده سازی یک دریچه آزادی بخار که دستگاه از انفجار نگه داشته شده است. با دیدن دریچه منظم حرکت به بالا و پایین، Papin درک این ایده از یک پیستون و یک سیلندر است. او، با این حال، به دنبال از طریق با طراحی خود است. با این حال، در سال 1697، بر اساس طرح Papin، مهندس توماس Savery اولین موتور ساخته شده، در سال 1712 توسط توماس Newcomen. اگر چه این موتورهای اولیه خام و ناکارآمد بودند، آنها را جذب توجه از دانشمندان پیشرو در آن زمان است.

مفهوم ظرفیت گرمایی و گرمای نهان، که لازم بود برای توسعه ترمودینامیک، توسط پروفسور جوزف بلک در دانشگاه گلاسکو، جایی که جیمز وات مشغول به کار به عنوان ابزار ساز شده است. وات مشورت با سیاه در آزمون از موتور بخار خود را، اما آن وات بود که تصور ایده کندانسور خارجی، تا حد زیادی افزایش بازده موتور بخار است. [35] طراحی در تمام کار قبلی منجر سعدی کارنو، پدر ترمودینامیک " ، به انتشار تأملاتی در قدرت محرک آتش (1824)، گفتمان در گرما، قدرت، انرژی و موتور بهره وری. مقاله روابط اساسی بین انرژی موتور کارنو، چرخه کارنو، قدرت و انگیزه برشمرد. شروع ترمودینامیک را به عنوان یک علم مدرن مشخص شده اند. [17]

کتاب ترمودینامیک برای اولین بار در سال 1859 توسط ویلیام رنکین، در اصل به عنوان یک فیزیکدان و استاد مهندسی عمران و مکانیکی در دانشگاه گلاسکو آموزش داده نوشته شده است. [36] قوانین اول و دوم ترمودینامیک به طور همزمان در 1850s پدید آمده است، عمدتا در خارج از آثار ویلیام رنکین، رودلف کلاوزیوس، و ویلیام تامسون (لرد کلوین).

مبانی ترمودینامیک آماری توسط فیزیکدانان از جمله جیمز کلرک ماکسول، لودویگ بولتزمن، ماکس پلانک، رودلف کلاوزیوس و J. ویلارد گیبس راه اندازی شد.

از سال 1873 تا '76، فیزیکدان ریاضی آمریکا جوزایا ویلارد گیبس به چاپ مجموعه ای از سه مقاله، معروف ترین بودن "در تعادل مواد ناهمگن". [10] گیبس نشان داد که چگونه فرآیندهای ترمودینامیکی، از جمله واکنش های شیمیایی، می تواند به صورت گرافیکی تجزیه و تحلیل است. با مطالعه انرژی، آنتروپی، جلد، پتانسیل شیمیایی، دما و فشار سیستم ترمودینامیکی، می تواند تعیین اینکه آیا یک فرآیند به طور خود به خودی رخ می دهد. [37] ترمودینامیک شیمیایی بیشتر توسط پیر دوهم بود، [11] گیلبرت N. لوئیس، راندال مرل، [12] و EA گوگنهایم، [13] [14] که استفاده از روش های ریاضی گیبس.
طول عمر برخی از مهم ترین عوامل برای ترمودینامیک.
صرف

شعب توضیحات

سیستم ترمودینامیکی سازه های نظری به مدل سیستم های فیزیکی مورد استفاده قرار گرفته است که مبادله ماده و انرژی از قوانین ترمودینامیک. مطالعه سیستم thermodynamical به چند شاخه مرتبط، هر یک از آن ها با استفاده از مدل های مختلف اساسی به عنوان مبنای نظری و یا تجربی و یا با استفاده از اصول مختلف انواع سیستم های توسعه یافته شده است.
ترمودینامیک کلاسیک

حساب ترمودینامیک کلاسیک برای ماجراهای سیستم های ترمودینامیکی در شرایط، هر یک از ایالات تعادل خود را در زمان ثابت، و یا دیگر فرایندهای چرخهای خود را به طور مداوم تکرار شده، اما، به طور رسمی، نه هر دو در حساب. آن استفاده می کند تنها زمان ثابت، و یا تعادل، مقادیر ماکروسکوپی قابل اندازه گیری در آزمایشگاه، به عنوان وقت ثابت طولانی مدت زمان به طور متوسط ​​از مقدار، از جمله به عنوان یک جریان، تولید شده توسط یک فرایند به طور مداوم تکراری شده است. [43] [44 شمارش ] ترمودینامیک کلاسیک را تغییر می دهد در طول زمان به اعتراف و نه به عنوان یک عامل اساسی در حساب خود را از فرآیندهای. یک حالت تعادل می ایستد بی وقفه بدون تغییر در طول زمان، در حالی که به طور مداوم تکرار فرایند حلقوی بی وقفه اجرا می شود بدون تغییر در طول زمان.

در حساب در ایالات تعادل یک سیستم، یک حالت تعادل ترمودینامیکی در یک سیستم ساده (که در این مقاله به شرح زیر تعریف شده است)، با هیچ میدان نیروی خارجی تحمیل شده است، فضایی همگن است.

در حساب کلاسیک به شدت و صرفا در شرایط فرایندهای چرخهای داخلی فضایی از بدن کار از یک فرآیند چرخه ای در نظر گرفته شده است، "کار بدن بنابراین تعریف حالت ترمودینامیکی داخلی خاص خود را دارد چرا که هیچ فرض ساخته شده است که آن را باید در تعادل ترمودینامیکی است. فقط ورودی و خروجی آن از انرژی به صورت گرما و کار در نظر گرفته شده است [45] البته ممکن است، و در واقع مشترک، از حساب در ایالات تعادل یک سیستم برای توصیف چرخه به طور نامحدود بسیاری از ایالات تعادل تشکیل شده است.

ترمودینامیک کلاسیک در اصل با انتقال انرژی در فرآیندهای چرخه ای، و تبادل انرژی بین سیستم های بسته تنها توسط ایالات تعادل خود را تعریف شده بود. برای این کار، تفاوت بین انتقال انرژی به صورت گرما و به عنوان کار مرکزی بود.

همانطور که در ترمودینامیک کلاسیک، تفاوت بین گرما و کار مرکزی کمتر شد. این بود که به دلیل علاقه بیشتر در سیستم های باز وجود دارد، که برای تمایز بین گرما و کار ساده ای نیست، و فراتر از محدوده این مقاله در حال حاضر. در کنار مقدار حرارت منتقل شده به عنوان یک کمیت بنیادین، آنتروپی، در نظر گرفته شده در زیر، به تدریج پیدا شد و به عنوان یک مفهوم کلی تر قابل اجرا است، به ویژه هنگامی که واکنش های شیمیایی مورد علاقه. Massieu در سال 1869، آنتروپی به عنوان متغیر اساسی ترمودینامیکی وابسته است، با پتانسیل های انرژی و متقابل دمای ترمودینامیکی به عنوان متغیر مستقل اساسی در نظر گرفته شده است. توابع Massieu می تواند مفید باشد در حال حاضر عدم تعادل ترمودینامیک. در سال 1875، در کار جوزایا ویلارد گیبس، مقادیر ترمودینامیکی پایه پتانسیل های انرژی، مانند انرژی داخلی، به عنوان متغیر وابسته، و آنتروپی، در نظر گرفته شده به عنوان یک متغیر مستقل اساسی بود. [46]

تمام فرآیندهای فیزیکی تا حدی غیر قابل برگشت است. ترمودینامیک کلاسیک می تواند فرآیندهای برگشت ناپذیر، در نظر گرفتن، اما حساب کاربری خود را در شرایط دقیق است محدود به متغیرهای که مراجعه تنها به ایالات تعادل ترمودینامیکی اولیه و نهایی، و یا به میزان ورودی و خروجی است که با گذشت زمان تغییر نمی. به عنوان مثال، ترمودینامیک کلاسیک می تواند طولانی مدت به طور متوسط ​​میزان جریان تولید شده توسط به طور مداوم تکرار فرآیندهای چرخه ای غیر قابل برگشت در نظر بگیرند. همچنین می تواند تغییرات غیر قابل برگشت بین ایالات تعادل سیستم های متشکل از چند مرحله (به عنوان زیر در این مقاله تعریف شده)، و یا با پارتیشن های جداشدنی و یا تعویض در نظر بگیرند. اما برای سیستم هایی که در ایالات تعادل، آن را نه جریان، نه ناهمگونی فضایی در سیستم ساده با هیچ میدان نیروی خارجی تحمیل شده مانند گرانش است. در حساب در ایالات تعادل یک سیستم، شرح فرآیندهای برگشت ناپذیر مراجعه تنها به ایالات تعادل استاتیکی اولیه و نهایی، نرخ پیشرفت در نظر گرفته نشده است. [47] [48]
ترمودینامیک تعادل محلی

ترمودینامیک تعادل محلی با دوره زمان و میزان پیشرفت فرآیندهای برگشت ناپذیر در سیستم هایی که به طور یکنواخت ناهمگن فضایی نگران کرده است. اذعان می کند که به عنوان یک کمیت بنیادین است، اما تنها در یک راه محدود است. به جای توجه به زمان ثابت جریان طولانی مدت به طور متوسط ​​نرخ فرایندهای چرخهای، ترمودینامیک تعادل محلی در نظر زمان مختلف جریان در سیستم که توسط ایالات متحده آمریکا تعادل ترمودینامیکی محلی، شرح داده شده به شرح زیر است.

برای فرآیندهای که شامل ناهمگونی تنها مناسب مکانی کوچک و صاف و مناسب تغییرات کوچک با گذشت زمان، یک تقریب خوب را می توان از طریق فرض تعادل ترمودینامیکی محلی یافت شده است. در این منطقه بزرگ و یا جهانی از یک فرایند، برای یک منطقه کوچک محلی مناسب، این تقریب فرض بر این است که یک مقدار شناخته شده به عنوان آنتروپی منطقه کوچک محلی را می توان در یک راه خاص تعریف شده است. که روش خاصی تعریف آنتروپی است تا حد زیادی فراتر از محدوده این مقاله در حال حاضر، اما در اینجا به آن ممکن است توان گفت آن است که به طور کامل از مفاهیم ترمودینامیک کلاسیک مشتق شده است، به طور خاص، نه نرخ جریان و نه تغییرات در طول زمان به تعریف پذیرفته شده آنتروپی منطقه کوچک محلی است. این است که بدون اثبات این که آنتروپی جهانی لحظه از عدم تعادل یک سیستم را می توان با اضافه کردن آنتروپی لحظه به طور همزمان از مناطق تشکیل دهنده آن کوچک محلی در نظر گرفته شده است. ترمودینامیک تعادل محلی در نظر می گیرد که شامل تولید وابسته به زمان از آنتروپی فرایندهای پراکنش، که در آن انرژی جنبشی جریان فله و انرژی پتانسیل شیمیایی را به انرژی داخلی در زمان نرخ هایی که به صراحت برای تبدیل. متغیر با زمان جریان فله و خاص جریان انتشار نظر گرفته می شوند، اما آنها نیاز به متغیرهای وابسته، به دست آمده تنها از خواص مواد تنها استاتیک ایالات تعادل ماکروسکوپی از مناطق کوچک محلی است. فقط آن دسته از متغیرهای حالت مستقل از یک منطقه کوچک محلی ترمودینامیک کلاسیک.
تعمیم و یا تمدید ترمودینامیک

مانند ترمودینامیک تعادل محلی، تعمیم و یا تمدید ترمودینامیک نیز با دوره زمان و میزان پیشرفت فرآیندهای برگشت ناپذیر در سیستم هایی که به طور یکنواخت ناهمگن فضایی نگران کرده است. این توضیح می دهد جریان متغیر با زمان در ایالات مناطق مناسب کوچک محلی در منطقه ای جهانی است که هموار فضایی ناهمگن، به جای توجه به جریان به عنوان زمان ثابت طولانی مدت به طور متوسط ​​نرخ فرایندهای چرخهای است. در حساب خود را از فرآیندهای تعمیم یا تمدید ترمودینامیک اذعان می کند به عنوان یک کمیت اساسی در گسترده تر نسبت به ترمودینامیک تعادل محلی است. ایالات متحده آمریکا مناطق کوچک محلی با مقادیر ماکروسکوپی که به صراحت اجازه داده شود تا با گذشت زمان متفاوت است، از جمله جریان های متغیر با زمان تعریف شده است. ترمودینامیک منتشر ممکن است به مقابله با مشکلاتی از قبیل امواج اولتراسوند یا شوک، که در آن قوی هستند ناهمگونی فضایی و تغییرات در زمان سریع به اندازه کافی برای سبقت گرفتن از یک گرایش به سمت تعادل ترمودینامیکی محلی وجود دارد. منتشر و یا تمدید ترمودینامیک، پروژه های گوناگون و در حال توسعه است، به جای بیشتر یا کمتر موضوع تکمیل مانند ترمودینامیک کلاسیک است. [49] [50]

برای ترمودینامیک تعمیم و یا تمدید، تعریف کمیت و شناخته شده به عنوان آنتروپی یک منطقه کوچک محلی است که در قوانین و مقررات فراتر از کسانی که از ترمودینامیک کلاسیک، به طور خاص، نرخ جریان را تعریف آنتروپی از یک منطقه کوچک محلی پذیرفته شده است. متغیرهای حالت مستقل از یک منطقه کوچک محلی شامل نرخ جریان، که به عنوان متغیرهای مستقل در مناطق های محلی کوچکی از ترمودینامیک تعادل محلی پذیرفته نیست.

خارج از محدوده ترمودینامیک کلاسیک، تعریف آنتروپی از یک منطقه کوچک محلی هیچ ماده ساده است. برای یک حساب ترمودینامیکی از یک فرآیند از لحاظ آنتروپی از مناطق کوچک محلی، تعریف آنتروپی باید به گونه ای باشد تا اطمینان حاصل شود که قانون دوم ترمودینامیک صدق در هر منطقه کوچک محلی است. این است که اغلب بدون اثبات در نظر گرفته شده است که آنتروپی جهانی لحظه از عدم تعادل یک سیستم را می توان با اضافه کردن آنتروپی لحظه به طور همزمان از مناطق تشکیل دهنده آن کوچک محلی است. برای یک فرآیند فیزیکی داده شده، انتخاب مناسب مستقل محلی عدم تعادل متغیرهای حالت ماکروسکوپی برای ساخت و ساز شرح ترمودینامیکی خواستار فهم کیفی فیزیکی، به جای اینکه مشکل به سادگی ریاضی در رابطه با منحصر به فرد توصیف تعیین ترمودینامیکی. یک تعریف مناسب از آنتروپی یک منطقه کوچک محلی بستگی به روشنگری از نظر جسمی و انتخاب آگاهانه مستقل محلی متغیرهای حالت عدم تعادل ماکروسکوپی، و انتخاب های مختلف را فراهم متفاوت تعمیم و یا تمدید حساب thermodynamical از یک و همان با توجه به فرایند فیزیکی است. این یکی از دلایل متعددی برای در نظر گرفتن آنتروپی به عنوان یک متغیر معرفتی، فیزیکی، و نه به عنوان مقدار به سادگی مواد است. به یک نویسنده محترم گفته است: "هیچ دلیل قانع کننده به این باور است که آنتروپی ترمودینامیک کلاسیک یک ویژگی اندازه گیری پدیده های nonequilibrium، وجود دارد ..." [51]
ترمودینامیک آماری

ترمودینامیک آماری، مکانیک آماری، نیز نامیده می شود با توسعه نظریه های اتمی و مولکولی در نیمه دوم قرن 19th و اوایل قرن 20th. آن را فراهم می کند توضیح ترمودینامیک کلاسیک است. آن را در نظر میکروسکوپی تعاملات بین ذرات و حرکات جمعی خود را، در شرایط کلاسیک و مکانیک کوانتومی است. توضیح آن این است که در شرایط استفاده از آمار هایی که در واقع این سیستم متشکل از چندین گونه از ذرات و یا حرکت جمعی، اعضای هر گونه بود که در بعضی جهات به طور یکسان است.
تعادل

ترمودینامیک تعادل مطالعات تحولات ماده و انرژی در سیستم های در و یا نزدیک به تعادل ترمودینامیکی است. در تعادل ترمودینامیکی، خواص یک سیستم هستند، تعریف، تغییر نسبت به زمان است. بدون تغییر ماکروسکوپی در تعادل ترمودینامیکی است رخ می دهد و یا می تواند باعث شود، در درون نظام، هر فرایند میکروسکوپی مخالف آن و متعادل کننده شده، این است که به نام اصل تعادل دقیق. هدف اصلی در ترمودینامیک تعادل است: با توجه به یک سیستم در یک حالت اولیه به خوبی تعریف شده، مشمول محدودیت های مشخص، برای محاسبه چیزی است که حالت تعادل سیستم است. [52]

در مطالعات نظری، آن است که اغلب مناسب برای در نظر گرفتن ساده ترین نوع سیستم ترمودینامیکی است. این است که در زمانهای گوناگون توسط نویسندگان مختلف تعریف شده است. [47] [53] [54] [55] [56] [57] مقاله حاضر، تعریف زیر مناسب است، و خلاصه از تعاریف از نویسندگان مختلف است. منطقه ای از مواد با تمام خواص فشرده و مستمر در فضا و زمان است که به نام یک مرحله است. یک سیستم ساده برای مقاله حاضر تعریف شده به عنوان یکی که شامل تک فاز از یک ماده شیمیایی خالص است، با هیچ پارتیشن داخلی است.

در درون یک سیستم ساده ترمودینامیکی ایزوله در تعادل ترمودینامیکی، در شرایطی که زمینه نیروی خارجی تحمیل شده، همه خواص مواد از سیستم فضایی همگن هستند. [58] بسیاری از نظریه اساسی ترمودینامیک سیستم همگن در تعادل ترمودینامیکی است. [10] [59]

اکثر سیستم های موجود در طبیعت و یا در نظر گرفته شده در مهندسی در تعادل ترمودینامیکی نیستند، دقیقا در نظر گرفته شده است. آنها در حال تغییر و یا می تواند باعث شود تا تغییر در طول زمان، و به طور مداوم و به شار از ماده و انرژی و سیستم های دیگر است. [60] به عنوان مثال، با توجه به Callen، "در تعادل ترمودینامیکی مطلق همه مواد رادیواکتیو را داشته discontinuously موضوع فرسایش به طور کامل و واکنش های هسته ای که همه هسته های ایزوتوپهای پایدار ترین transmuted. فرآیندهای چنین که بار کیهانی را بکشد، به طور کلی می توان نادیده گرفت. ". [60] چنین فرآیندهای در حال نادیده گرفته شده، بسیاری از سیستم های در طبیعت به اندازه کافی نزدیک به تعادل ترمودینامیکی است که برای بسیاری از اهداف رفتار آنها را می توان به خوبی با محاسبات تعادل تقریبی است.
شبه استاتیک نقل و انتقالات بین سیستم های ساده هستند تقریبا در حالت تعادل ترمودینامیکی و برگشت پذیر هستند.

آن را بسیار آسان و ساده از مطالعات های نظری thermodynamical به تصور انتقال انرژی و ماده بین دو سیستم ساده است که ادامه دهید تا به آرامی که در همه زمان ها، هر یک از سیستم های ساده در نظر گرفته شده به طور جداگانه به اندازه کافی نزدیک است به تعادل ترمودینامیکی است. فرآیندهای چنین گاهی اوقات به نام شبه ایستا و نزدیک به اندازه کافی به بودن قابل برگشت هستند. [61] [62]
فرایندهای طبیعی هستند که تا حدودی با گرایش به سمت تعادل ترمودینامیکی توصیف و غیر قابل برگشت هستند.

اگر نه در ابتدا در تعادل ترمودینامیکی، ساده سیستم های ترمودینامیکی جدا شده، با گذشت زمان، تمایل به تکامل به طور طبیعی به سوی تعادل ترمودینامیکی است. در شرایطی که از زمینه های نیروی خارجی تحمیل شده، تبدیل شدن آنها به همگن در تمام خواص محلی خود را. همگن مانند یک مشخصه مهم یک سیستم در حالت تعادل ترمودینامیکی در شرایطی که زمینه نیروی خارجی تحمیل شده است.

بسیاری از فرآیندهای ترمودینامیکی را می توان با ترکیب و یا سیستم کامپوزیت مدل، متشکل از یا چند بسیاری از سیستم های به هم پیوسته جزء ساده، در ابتدا در تعادل ترمودینامیکی نیست، اما مجاز به انتقال جرم و انرژی بین آنها شده است. فرآیندهای ترمودینامیکی طبیعی در از نظر گرایش به سمت تعادل در درون سیستم ساده و در نقل و انتقال ها بین سیستم های به هم پیوسته ساده شرح داده شده است. چنین فرآیندهای طبیعی غیر قابل برگشت هستند. [63]
عدم تعادل ترمودینامیک

عدم تعادل ترمودینامیک [64] شاخهای از ترمودینامیک است که معامله با سیستم هایی که در تعادل ترمودینامیکی نیستند؛ از آن نیز نامیده می شود ترمودینامیک فرایندهای برگشت ناپذیر است. عدم تعادل ترمودینامیک با فرآیندهای حمل و نقل و با سرعت واکنشهای شیمیایی است [65] عدم تعادل سیستم می تواند در ایالات متحده ساکن هستند که همگن نیست حتی زمانی که هیچ میدان خارج تحمیل شده از زور وجود دارد، در این مورد، شرح حالت داخلی سیستم نیاز به یک نظریه میدان است. [66] [67] [68] یکی از روش های مقابله با عدم تعادل سیستم را به شما معرفی اصطلاح متغیرهای داخلی. این مقادیر که بیان دولت های محلی از سیستم، علاوه بر متغیرهای ترمودینامیکی محلی معمول، در یک مفهوم متغیر ممکن است به عنوان بیان خاطره "از مواد دیده می شود. پسماند گاهی اوقات ممکن است در این راه می شود شرح داده شده است. در مقابل متغیرهای ترمودینامیکی معمول، 'متغیرهای داخلی "می توانند دستکاری خارجی نه کنترل. [69] این رویکرد معمولا غیر ضروری برای گازها و مایعات، اما ممکن است برای جامدات است. [70] بسیاری از سیستم های طبیعی هنوز هم امروز فراتر از باقی می ماند دامنه در حال حاضر شناخته شده روش ماکروسکوپی ترمودینامیکی.
قوانین ترمودینامیک
نوشتار اصلی: قوانین ترمودینامیک

ترمودینامیک می گوید مجموعه ای از چهار قانون است که برای تمام سیستم های که در درون محدودیت های ضمنی توسط هر سقوط معتبر هستند. در توصیف نظری مختلف ترمودینامیک این قوانین ممکن است در ظاهر متفاوت اشکال بیان شده، اما برجسته ترین فرمولاسیون به شرح زیر است:

    قانون صفر ترمودینامیک: اگر دو سیستم هر کدام در تعادل گرمایی با یک سوم آنها نیز در تعادل گرمایی با یکدیگر است.

این بیانیه حاکی از آن است که تعادل حرارتی یک رابطه هم ارزی روی مجموعه ای از سیستم های ترمودینامیکی تحت بررسی است. سیستم ها گفت که در تعادل گرمایی با یکدیگر می شود اگر مبادلات مولکولی خود به خودی انرژی گرمایی بین آنها به تبادل خالص انرژی نمی شود. این قانون است که تلویحا در هر اندازه گیری دما در نظر گرفته شده است. برای دو جسم شناخته شده در همان دما است، تصمیم گیری اگر آنها در تعادل گرمایی هستند، زمانی که در تماس حرارتی در واقع نیازی نیست که آنها را به آوردن به تماس و اندازه گیری هر گونه تغییرات خواص قابل مشاهده خود را در زمان قرار داده است. [71] در بیانیه های سنتی، قانون تعریف تجربی از دما و توجیهی برای ساخت و ساز از دماسنجهای عملی است. در مقابل درجه حرارت ترمودینامیکی مطلق، درجه حرارت تجربی خواص مکانیکی بدن، مانند حجم آنها، اندازه گیری بدون تکیه بر مفاهیم انرژی، آنتروپی یا قوانین اول، دوم و سوم ترمودینامیک. [55] [72 ] دماهای تجربی منجر به کالری برای انتقال حرارت در از لحاظ خواص مکانیکی اجسام، بدون تکیه بر مفاهیم مکانیکی از انرژی است.

محتوای فیزیکی از قانون 0 تا مدت طولانی است که شناخته شده است. رنکین به عنوان مثال، در سال 1853 درجه حرارت به شرح زیر تعریف می شود: "دو قسمت از ماده گفته می شود که درجه حرارت برابر زمانی که نه تمایل به ارتباط برقرار حرارت به" [73] ماکسول در سال 1872 اظهار داشت که "قانون از درجه حرارت برابر" [74. ] او همچنین اظهار داشت: "همه گرما از همان نوع" [75] پلانک به صراحت به عهده گرفت و آن را در جمله بندی مرسوم امروزی آن در فرمولاسیون خود را در دو مورد اول قوانین اظهار داشت [76] در آن زمان تمایل به وجود آمد. شماره آن را به عنوان یک قانون، سه تن دیگر از در حال حاضر اختصاص داده شده اعداد، و پس از آن قانون 0 تعیین شد.

    قانون اول ترمودینامیک: افزایش انرژی درونی یک سیستم بسته به تفاوت از گرما عرضه شده به سیستم و کار انجام شده توسط آن برابر است با: ΔU = Q - W [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87]

قانون اول ترمودینامیک بر وجود یک متغیر حالت برای یک سیستم، انرژی داخلی، و می گوید که چگونه از آن در فرآیندهای ترمودینامیکی تغییر است. این قانون اجازه می دهد تا انرژی داخلی یک سیستم به هر ترکیبی از گرما و کار رسیده است. مهم این است که انرژی داخلی یک متغیر از وضعیت سیستم (نگاه کنید به حالت ترمودینامیکی) در حالی که گرما و کار متغیر هستند که فرآیندها و یا تغییر حالت سیستم را توصیف است.

قانون اول مشاهده است که انرژی داخلی سیستم جدا اطاعت اصل حفاظت از انرژی، که می گوید که انرژی می تواند توان به تبدیل از یک فرم خود را به دیگری تغییر، اما می تواند شود نه ایجاد یا نابود. [88] [89] [ 90] [91] [92]

    قانون دوم ترمودینامیک: گرما خود به خود از یک محل سردتر به محل گرمتر می تواند جریان.

قانون دوم ترمودینامیک به بیان اصل جهانی از اتلاف انرژی جنبشی و پتانسیل قابل مشاهده در طبیعت است. قانون دوم مشاهده این واقعیت است که با گذشت زمان، تفاوت در درجه حرارت، فشار و مواد شیمیایی بالقوه تمایل دارند تا حتی در یک سیستم فیزیکی است که از جهان خارج جدا شده است. آنتروپی اندازه گیری چقدر این روند تا به پیشرفت است. آنتروپی یک سیستم جدا شده است که در تعادل نیست، تمایل دارد به مرور زمان افزایش یابد، با نزدیک شدن به یک مقدار حداکثر در تعادل است.

در ترمودینامیک کلاسیک، قانون دوم پایه پذیره نویسی قابل اجرا به هر سیستم که شامل انتقال حرارت انرژی در ترمودینامیک آماری، قانون دوم است در نتیجه اتفاقی فرض مولکولی هرج و مرج است. نسخه های بسیاری از قانون دوم وجود دارد، اما همه آنها همان اثر، است که برای توضیح پدیده برگشت ناپذیری در طبیعت است.

    قانون سوم ترمودینامیک: به عنوان یک سیستم نزدیک به صفر مطلق نزدیک شدن آنتروپی این سیستم حداقل یک ارزش است.

قانون سوم ترمودینامیک، قانون آماری از طبیعت در مورد آنتروپی و عدم امکان رسیدن به صفر مطلق دما است. این قانون فراهم می کند یک نقطه مرجع مطلق برای تعیین آنتروپی است. آنتروپی تعیین نسبت به این نقطه آنتروپی مطلق است. تعاریف جایگزین، آنتروپی تمام سیستم ها و تمام کشور از یک سیستم است که کوچکترین در صفر مطلق "و یا معادل آن است که غیر ممکن است برای رسیدن به صفر مطلق درجه حرارت با هر تعداد متناهی از فرآیندهای".

صفر مطلق، -273.15 ° C (درجه سانتیگراد)، و یا -459.67 ° F (درجه فارنهایت) یا 0 K (کلوین) است.

مدل های سیستم
نمودار یک سیستم ترمودینامیکی عمومی

یک مفهوم مهم در ترمودینامیک سیستم ترمودینامیکی، منطقه دقیقا تعریف از جهان را مورد مطالعه است. همه چیز در جهان به جز این سیستم به عنوان محیط شناخته شده است. یک سیستم توسط یک مرز، که ممکن است تصور یا نه از باقی مانده از جهان جدا شده، اما کنوانسیون delimits حجم محدود. تبادل کار، گرما، یا ماده بین سیستم و محیط اطراف را در سراسر این مرز است.
اثر متقابل سیستم های ترمودینامیکی نوع جرم حرارتی سیستم گردش کار
باز تیک تیک تیک تیک تیک تیک سبز سبز سبز
بسته سبز قرمز X تیک تیک سبز
حرارتی جدا کنه قرمز سبز قرمز X X
مکانیکی جدا شده سرخ X قرمز X تیک سبز
جدا شده سرخ X قرمز X X قرمز

مرز است که به سادگی یک سطح در اطراف حجم مورد نظر است. هر حرفی که می گذرد در سراسر مرز که اثرات تغییر در انرژی داخلی، نیاز به در معادله تعادل انرژی است. حجم می تواند منطقه اطراف یک اتم انرژی طنین، ماکس پلانک در سال 1900 تعریف شده است که می تواند بدن را از بخار آب یا هوا در یک موتور بخار، مانند سعدی کارنو در سال 1824 تعریف شده، می توان آن را از بدن گرمسیری سیکلون، مانند کری امانوئل در سال 1986 در زمینه ترمودینامیک اتمسفر تئوریزه و آن را نیز می تواند فقط یک هسته (یعنی یک سیستم از کوارک ها) به عنوان در ترمودینامیک کوانتومی فرض شده است.

ثابت، قابل جابجایی است، واقعی و خیالی: مرز چهار نوع هستند. برای مثال، در یک موتور، مرز ثابت به این معنی است که پیستون در موقعیت خود قفل شده است و پس از آن یک فرایند حجم ثابت رخ می دهد، هیچ کار مجاز است. در آن موتور، قابلیت جابجایی در مرز اجازه می دهد تا پیستون را به حرکت در داخل و خارج، اجازه کار. برای سیستم های بسته، مرزهای واقعی هستند، در حالی که مرزهای سیستم باز هستند که اغلب خیالی.

ترمودینامیک گاهی اوقات متمایز پنج کلاس از سیستم های تعریف شده در شرایط از آنچه که مجاز به عبور از مرز خود را دارد. هیچ مرز های مکانیکی برای تمام زمین از جمله جو آن وجود دارد، و به طور کلی، هیچ کار خارجی است و یا در توسط کل سیستم زمین انجام می شود. چنین سیستمی است و گاهی اوقات گفته می شود به diabatically توسط تابش گرم و سرد شود. [93] [94] فرایند است که در آن هیچ کار منتقل شده است گاهی اوقات به نام adynamic. [95]

مهندسی و فرایندهای طبیعی اغلب به عنوان مرکب از بسیاری از سیستم های مختلف جزء ساده شرح داده شده، گاهی اوقات با پارتیشن تغییرناپذیر و یا در حال تغییر بین آنها است.

ایالات و فرآیندهای

دو نوع اساسی از نهاد در ترمودینامیک، ایالات متحده از یک سیستم، و فرآیندهای یک سیستم وجود دارد. این اجازه می دهد تا سه رویکرد اساسی به استدلال ترمودینامیکی، که در حالت تعادل ترمودینامیکی یک سیستم، و این که در لحاظ از زمان ثابت فرایندهای یک سیستم، و در شرایط استفاده از فرآیندهای چرخه ای از یک سیستم است.

رویکرد را از طریق ایالات تعادل ترمودینامیکی یک سیستم نیاز به یک حساب کامل از وضعیت سیستم را به عنوان و به عنوان یک مفهوم فرایند از یک کشور به کشور دیگر از یک سیستم است، اما ممکن است نیاز به تنها یک حساب آرمانی و یا بخشی از دولت از محیط از سیستم و یا سیستم های دیگر.

روش شرح در شرایط از حالت تعادل ترمودینامیکی مح

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: