دستگاه ترمودینامیکی: محیط مورد مطالعه در ترمودینامیک
مقدمه: جهان را چگونه مطالعه میکنیم؟
برای مطالعهٔ علمی هر پدیدهای، اول باید بدانیم دقیقاً روی چه چیزی تمرکز کردهایم. تصور کنید میخواهید رشد یک گیاه را بررسی کنید. آیا کل باغ را زیر نظر میگیرید یا فقط یک گلدان خاص را؟ در ترمودینامیک2 نیز برای تحلیل انتقال انرژی (مانند گرما و کار) و ماده، باید ابتدا بخش مشخصی از جهان را انتخاب کنیم. به این بخش انتخابشده، دستگاه ترمودینامیکی یا به اختصار دستگاه میگویند. بقیهٔ جهان که خارج از این بخش است، محیط اطراف3 نام دارد. مرز بین دستگاه و محیط اطراف، که میتواند واقعی یا فرضی، ثابت یا متحرک باشد، نقش کلیدی در تحلیل ما بازی میکند.
انواع دستگاه ترمودینامیکی بر اساس تبادل جرم و انرژی
دستگاههای ترمودینامیکی بر اساس نوع تعاملشان با محیط اطراف، یعنی بر اساس اینکه آیا جرم (ماده) و انرژی میتوانند از مرز عبور کنند یا نه، به سه دستهٔ اصلی تقسیم میشوند. درک این تقسیمبندی بسیار مهم است.
| نوع دستگاه | تبادل جرم | تبادل انرژی (کار و گرما) | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| دستگاه باز4 | آری | آری | یک فنجان قهوهٔ داغ، موتور خودرو هنگام روشن بودن، بدن انسان |
| دستگاه بسته5 | خیر | آری | قوطی اسپری خالیشده، لاستیک دوچرخهٔ بادشده، مواد داخل یک زودپز دربسته |
| دستگاه منزوی (آدیاباتیک)6 | خیر | خیر | محتوای یک فلاسک7 چای داغ و درببسته (در شرایط ایدهآل)، کل کیهان (طبق یک تعریف) |
همانطور که در جدول میبینید، یک فنجان قهوهٔ داغ یک دستگاه باز عالی است. جرم (بخار آب) از آن خارج میشود و انرژی (گرما) نیز به محیط منتقل میکند. در مقابل، لاستیک دوچرخهای که تازه باد کردهاید، یک دستگاه بسته است. هوای داخل آن ثابت است (جرم عبور نمیکند) اما اگر لاستیک گرم شود، انرژی گرمایی از محیط به هوای داخل منتقل میشود.
خواص دستگاه: ماکروسکوپی در مقابل میکروسکوپی
برای توصیف وضعیت یک دستگاه ترمودینامیکی، به کمیتهایی نیاز داریم. این کمیتها را خواص ترمودینامیکی8 مینامند. خواص به دو دستهٔ بزرگ تقسیم میشوند:
خواص ماکروسکوپی9: این خواص با حواس ما یا با ابزارهای ساده قابل اندازهگیری هستند و به رفتار کلی ماده مربوط میشوند، نه به تک تک ذرات. مانند $ فشار (P)$، $ دما (T)$، $ حجم (V)$ و $ جرم (m)$.
خواص میکروسکوپی10: این خواص مربوط به وضعیت تکتک اتمها و مولکولهای تشکیلدهندهٔ ماده است، مانند سرعت، مکان و انرژی هر ذره. در ترمودینامیک کلاسیک، عموماً با خواص ماکروسکوپی سر و کار داریم چون اندازهگیری و کار با آنها سادهتر است.
از تعریف دستگاه تا قانون اول ترمودینامیک
حالا میتوانیم یکی از مهمترین قوانین فیزیک را با استفاده از مفهوم دستگاه بیان کنیم. قانون اول ترمودینامیک در واقع بیانگر قانون پایستگی انرژی برای یک دستگاه ترمودینامیکی است. این قانون میگوید:
$\Delta U = Q - W$
در این فرمول، همهٔ کمیتها بر حسب ژول (واحد انرژی) اندازهگیری میشوند. علامتها مهم هستند: $Q$ مثبت وقتی گرما به دستگاه وارد شود و $W$ مثبت وقتی دستگاه کار انجام دهد.
مثال: یک بالن بادشده را در نظر بگیرید (دستگاه بسته: هوای داخل بالن). اگر آن را در آفتاب بگذارید، گرما ($Q > 0$) به هوای داخل وارد میشود. این گرما باعث میشود انرژی درونی هوا ($\Delta U$) افزایش یابد و همزمان هوا با منبسط کردن بالن ($W > 0$) روی محیط کار انجام میدهد. طبق فرمول بالا، افزایش انرژی درونی از اختلاف بین گرمای دریافتی و کار انجامشده به دست میآید.
کاربرد مفهوم دستگاه در فناوریهای روزمره
مهندسان با درک دقیق نوع دستگاه و مرزهای آن، ماشینهای مفیدی میسازند. در همهٔ این موارد، تعریف درست دستگاه اولین گام طراحی است:
- یخچال: فضای داخلی یخچال یک دستگاه بسته (وقتی درب بسته است) در نظر گرفته میشود. سیستم خنککننده، گرما ($Q$) را از این دستگاه خارج میکند (پس $Q$ منفی است) و در نتیجه انرژی درونی و دمای آن کاهش مییابد.
- موتور اتومبیل: در هر سیلندر، مخلوط سوخت و هوا در لحظهٔ احتراق یک دستگاه بسته است. انرژی شیمیایی آزادشده به صورت گرمای زیاد ($Q > 0$) وارد دستگاه میشود که باعث افزایش شدید فشار و در نهایت انجام کار ($W > 0$) برای حرکت پیستون میگردد.
- بادکنک هلیومی: اگر بادکنک را رها کنید، بالا میرود. در این تحلیل، میتوانیم گاز داخل بادکنک را دستگاه در نظر بگیریم. هنگام بالا رفتن، این دستگاه روی محیط (هوای اطراف) کار انجام میدهد ($W > 0$).
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1دستگاه ترمودینامیکی (Thermodynamic System): بخش مشخص و مورد مطالعه از جهان که با مرزی از محیط اطراف خود جدا شده است.
2ترمودینامیک (Thermodynamics): شاخهای از فیزیک که به مطالعهٔ رابطه بین گرما، کار، دما و انرژی میپردازد.
3محیط اطراف (Surroundings): هر آنچه در خارج از مرزهای دستگاه ترمودینامیکی قرار دارد.
4دستگاه باز (Open System): دستگاهی که هم جرم و هم انرژی میتواند با محیط اطراف مبادله کند.
5دستگاه بسته (Closed System): دستگاهی که فقط انرژی میتواند با محیط مبادله کند، اما جرم آن ثابت میماند.
6دستگاه منزوی / آدیاباتیک (Isolated / Adiabatic System): دستگاهی که نه جرم و نه انرژی میتواند با محیط اطراف مبادله کند.
7فلاسک (Vacuum Flask): ظرفی با جدارهٔ دوجداره و خلأ بین جدارهها که تبادل گرما را به حداقل میرساند.
8خواص ترمودینامیکی (Thermodynamic Properties): کمیتهای قابل اندازهگیری که وضعیت یک دستگاه را توصیف میکنند (مانند فشار، دما، حجم).
9خواص ماکروسکوپی (Macroscopic Properties): خواصی که مربوط به حجم زیادی از ماده و به صورت کلی است و نیازی به در نظر گرفتن ذرات تشکیلدهنده ندارد.
10خواص میکروسکوپی (Microscopic Properties): خواصی که مربوط به تکتک ذرات (اتمها و مولکولها) تشکیلدهندهٔ ماده است.
11انرژی درونی (Internal Energy, U): مجموع تمام انرژیهای جنبشی و پتانسیل مربوط به ذرات (مولکولها و اتمهای) داخل یک دستگاه.
