فرایند همدما
در ترمودینامیک، فرآیند همدما (isothermal process) فرآیندی است که در آن دمای سیستم ثابت میماند :
این حالت زمانی رخ میدهد که سیستم در تماس با یک منبع حرارتی خارجی قرار دارد، و تغییرات سیستم به حدی آرام رخ میدهند که به سیستم این اجازه را میدهند که از طریق مبادلهی گرما، دمای خود را با منبع حرارتی تنظیم کند. در نقطه مقابل، فرآیند بیدررو فرآیندی است که در طی آن سیستم هیچ تبادل گرمایی با محیط پیرامون ندارد(
به طور خلاصه میتوان گفت که در فرآیند همدما :
- (دما)
فقط برای گازهای ایدهآل :
مثالها
فرآیندهای همدما میتوانند در هر سیستمی که به نوعی سامانه تنظیم دما دسترسی دارد، رخ دهند (از جمله: ماشین آلات بسیار پیچیده از لحاظ ساختاری و حتی سلولهای زنده). بعضی از قسمتهای چرخه بعضی از موتورهای گرمایی به صورت همدما (isothermal) انجام می شوند (به عنوان مثال در چرخه کارنو). در تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی واکنشهای شیمیایی، معمولاً ابتدا آنچه در شرایط همدما (دما ثابت) اتفاق میافتد را تجزیه و تحلیل کرده و سپس اثر دما را در نظر میگیرند. تغییرات فاز (مانند ذوب شدن یا تبخیر) نیز وقتی در فشار ثابت اتفاق می افتند، فرایندهایی همدما محسوب میشوند. فرآیندهای همدما به وفور مورد استفاده قرار گرفته و به نوعی، یک نقطه شروع در تجزیه و تحلیل فرایندهای پیچیدهتر و غیر همدما هستند.
فرآیندهای همدما در مبحث گازهای ایدهآل مورد توجه ویژهای قرار دارند. این نتیجه قانون دوم ژول است که میگوید: انرژی درونی مقدار ثابتی از یک گاز ایدهآل فقط به دمای آن بستگی دارد. بنابراین، در یک فرآیند همدما، انرژی درونی یک گاز ایدهآل ثابت است. این نتیجه را میتوان از این حقیقت که در یک گاز ایدهآل هیچ نیروی بین مولکولی وجود ندارد، برداشت کرد. توجه داشته باشید که این فقط در مورد گازهای ایدهآل صادق میباشد. در مایعات ، جامدات و گازهای واقعی، انرژی درونی علاوه بر دما (درجه حرارت) به فشار نیز بستگی دارد.
در انقباض همدمای یک گاز، به منظور کاهش حجم و افزایش فشار، کار بر روی سیستم انجام میشود. انجام کار بر روی گاز باعث افزایش انرژی درونی شده که در نهایت به افزایش دما تمایل پیدا خواهد کرد. در این حالت برای ثابت نگهداشتن دمای سیستم، انرژی باید تحت عنوان گرما از سیستم خارج شده و وارد محیط شود. اگر گاز ایدهآل باشد، مقدار انرژی (گرما) وارد شده به محیط، با کار انجام شده بر روی گاز برابر است؛ زیرا انرژی درونی تغییری نمیکند (فقط برای گازهای ایدهآل :
در یک فرآیند بیدررو، که در آن هیچ گرمایی به داخل گاز وارد نشده و یا از آن خارج نمیشود (زیرا ظرف آن کاملاً عایق است):
جزئیات یک گاز ایدهآل
در موارد خاص که قانون بویل بر روی گاز اعمال میشود، اگر گاز در شرایط همدما نگهداری شود، عبارت
دسته منحنیهای تولید شده توسط این معادله، در نمودار شکل 1 نشان داده شده است. هر یک از منحنیهای این نمودار، یک ایزوترم (isotherm) نام دارند. این نمودارها، نمودارهای شاخص هستند و اولین بار توسط جیمز وات و دیگران برای بررسی و نظارت بر کارایی موتورها مورد استفاده قرار گرفتهاند. دمای مربوط به هر منحنی، به ترتیب از پایین سمت چپ به بالا سمت راست افزایش می یابد.
محاسبه کار
در ترمودینامیک، هنگام تغییر حالت گاز از
طبق قرارداد، کار (
همچنین لازم به ذکر است که اگر در گازهای ایدهآل، دما ثابت نگه داشته شود، انرژی درونی سیستم نیز ثابت خواهد بود (
نمونه ای از یک فرآیند همدما
انبساط برگشت پذیر یک گاز ایدهآل را میتوان به عنوان نمونهای از کار انجام شده توسط یک فرآیند همدما نام برد. در این مبحث، حد تبدیل گرما به کار قابل استفاده (مفید) و رابطه بین نیروی محدود کننده و میزان انبساط مورد توجه ویژهای قرار گرفته و بسیار به آن پرداخته میشود.
در حین انبساط همدما ، هر دو کمیت
کار انجام شده (
وقتی نیروی وارد شده به صفر کاهش یابد، سیستم به حالت B (
برای آشنایی بیشتر با ماهیت انبساط همدما، به خط قرمز شکل 3 توجه نمایید. مقدار ثابت
تغییرات آنتروپی
فرآیندهای همدما برای محاسبه تغییرات آنتروپی مناسب میباشند، زیرا در این حالت فرمول تغییر آنتروپی (
که در این فرمول،
یک مثال ساده، تغییر (گذار) فاز تعادلی (مانند ذوب شدن یا تبخیر) در دما و فشار ثابت میباشد. در تغییر فاز در فشار ثابت، گرمای منتقل شده به سیستم برابر آنتروبی تبدیل (
هر فشاری، دمای گذار خاص خود (
نمونهای دیگر، میتوان به فرآیند برگشتپذیر انبساط (یا انقباض) همدمای گاز ایدهآل از حجم و فشار اولیهی
این نتیجه برای فرآیند برگشتپذیر است، بنابراین میتوان آن را در فرمول تغییر آنتروپی جایگزین کرد تا عبارت زیر به دست آید:
از آنجایی که گاز ایدهآل از قانون بویل تبعیت میکند، میتوان این فرمول را به شکل زیر نیز بازنویسی کرد:
این فرمولها را میتوان در یک فرآیند برگشتپذیر، مانند انبساط آزاد گاز ایدهآل، استفاده نمود. چنین انبساطی، همدما نیز میباشد و ممکن است همان شرایط آغازین و نهایی را (همانند انبساط برگشتپذیر) دارا باشد. از آنجا که آنتروپی تابع حالت است، تغییر آنتروپی سیستم مشابه فرآیند برگشتپذیر میباشد؛ و توسط فرمولهای بالا توصیف میشود. توجه داشته باشید که نتیجه (
تفاوت میان انبساط آزاد با برگشتپذیر را میتوان در آنتروپی محیط اطراف پیدا کرد. در هر دو حالت، محیطهای اطراف دمای ثابت
ریشه تاریخی واژه
صفت "همدما (isothermal)" از واژههای یونانی "ἴσος" (معادل "isos") به معنی برابر و "θέρμη" (معادل "therme") به معنی گرما گرفته شدهاست.
جستارهای وابسته
منابع
- ↑ Keenan, J. H. (1970). "Chapter 12: Heat-engine cycles". Thermodynamics. Cambridge, Massachusetts: MIT Press.
- ↑ Rock, P. A. (1983). "Chapter 11: Thermodynamics of chemical reactions". Chemical Thermodynamics. Mill Valley, CA: University Science Books. ISBN 0-935702-12-1
- ↑ Petrucci, R. H.; Harwood, W. S.; Herring, F. G.; Madura, J. D. (2007). "Chapter 12". General Chemistry. Upper Saddle River, NJ: Pearson. ISBN 978-0-13-149330-8
- ↑ Klotz, I. M.; Rosenberg, R. M. (1991). "Chapter 6, Application of the first law to gases". Chemical Thermodynamics. Meno Park, CA: Benjamin.
- ↑ Adkins, C. J. (1983). Equilibrium Thermodynamics. Cambridge: Cambridge University Press.
- ↑ Atkins, Peter (1997). "Chapter 2: The first law: the concepts". Physical Chemistry (6th ed.). New York, NY: W. H. Freeman and Co. ISBN 0-7167-2871-0
- ↑ Atkins, Peter (1997). "Chapter 4: The second law: the concepts". Physical Chemistry (6th ed.). New York, NY: W. H. Freeman and Co. ISBN 0-7167-2871-0