فرایند ترمودینامیکی: تغییر حالت سیستم
سفری به قلب چگونگی تغییر انرژی و ماده در جهان اطراف ما
خلاصه: فرایند ترمودینامیکی1 توصیف میکند که چگونه یک سیستم، مثل موتور خودرو یا حتی یک فنجان چای داغ، از یک حالت اولیه به حالت نهایی میرسد. این تغییرات، که با انتقال انرژی به شکل گرما2 یا کار3 همراه هستند، قوانین جهانی و قابل پیشبینی دارند. درک انواع فرایندها، قوانین ترمودینامیک و مفهوم سیستم ترمودینامیکی کلید فهم بسیاری از پدیدههای علمی و مهندسی است.
سیستم، محیط و حالت: بازیگران اصلی صحنه
برای شروع، باید بدانیم دربارهی چه چیزی صحبت میکنیم. در ترمودینامیک، ما جهان را به دو بخش تقسیم میکنیم:
- سیستم4: قسمتی از جهان که ما انتخاب کردهایم تا آن را مطالعه کنیم. این میتواند محتویات یک سیلندر موتور، هوای داخل یک بادکنک، یا آب داخل یک کتری باشد.
- محیط5: هر چیز دیگری در خارج از مرزهای سیستم که میتواند با سیستم در تعامل باشد.
- مرز6: دیوارهای واقعی یا فرضی که سیستم را از محیط جدا میکند. مرز میتواند اجازهی تبادل گرما یا کار را بدهد (باز) یا ندهد (بسته).
حالت یک سیستم با کمیتهایی مانند فشار7، حجم8، دما9 و جرم توصیف میشود. وقتی هر یک از این مقادیر تغییر کند، میگوییم حالت سیستم تغییر کرده است. به مسیر یا روشی که این تغییر حالت رخ میدهد، «فرایند ترمودینامیکی» میگوییم.
مثال عینی: یک قوطی اسپری ضدعفونی را در نظر بگیرید. محتویات داخل قوطی (گاز فشرده) سیستم ماست. دیوارهی فلزی قوطی مرز آن است و هوای اطراف قوطی محیط است. وقتی دکمه را فشار میدهید، گاز از مرز خارج میشود. حجم و فشار داخل قوطی کاهش مییابد. این تغییر، یک فرایند ترمودینامیکی است.
انواع فرایندهای ترمودینامیکی: از ساده تا خاص
فرایندها را بر اساس شرایطی که در حین تغییر بر سیستم حاکم است، دستهبندی میکنیم. این جدول مهمترین انواع را نشان میدهد:
| نام فرایند | شرط حاکم | توصیف ساده | مثال روزمره |
|---|---|---|---|
| همدما10 | دمای ثابت ($T = \text{const}$) | تغییر حالت در دمای ثابت. اگر گاز منبسط یا فشرده شود، دما ثابت میماند. | فشار دادن آهسته پیستون یک سرنگ دربباز. گرما با محیط مبادله میشود تا دما ثابت بماند. |
| همفشار11 | فشار ثابت ($P = \text{const}$) | تغییر حالت در فشار ثابت. حجم با دما تغییر میکند. | جوشیدن آب در یک قابلمهی روباز. فشار آب برابر فشار اتمسفر است و با گرم شدن، حجم آن افزایش مییابد. |
| بیدررو12 | بدون تبادل گرما ($Q = 0$) | سیستم کاملاً عایق است. هیچ گرمایی وارد یا خارج نمیشود. | فشار دادن بسیار سریع پیستون یک سرنگ. تغییر آنقدر سریع است که گرما فرصت مبادله ندارد. |
| همحجم13 | حجم ثابت ($V = \text{const}$) | تغییر حالت در حجم ثابت. اگر به سیستم گرما بدهیم، فقط دما و فشار آن تغییر میکند. | گرم کردن هوای داخل یک قوطی کاملاً دربسته و سفت. حجم قوطی تغییر نمیکند. |
| چرخهای14 | حالت نهایی = حالت اولیه | سیستم پس از چند فرایند متوالی، به حالت اول خود بازمیگردد. | کارکرد مداوم موتور خودرو. پس از چهار مرحله (مکش، تراکم، انفجار، تخلیه) سیلندر دوباره آمادهی شروع است. |
نیروی محرکهٔ تغییر: قوانین ترمودینامیک
فرایندها به هر شکلی که رخ دهند، از قوانین بنیادی طبیعت پیروی میکنند. این قوانین مانند قوانین راهنمایی و رانندگی برای انرژی هستند.
قانون اول ترمودینامیک (قانون پایستگی انرژی):
$\Delta U = Q - W$
این فرمول میگوید: تغییر انرژی درونی15 سیستم ($\Delta U$) برابر است با گرمای دادهشده به سیستم ($Q$) منهای کاری که سیستم روی محیط انجام میدهد ($W$). انرژی نه به وجود میآید و نه از بین میرود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود.
این فرمول میگوید: تغییر انرژی درونی15 سیستم ($\Delta U$) برابر است با گرمای دادهشده به سیستم ($Q$) منهای کاری که سیستم روی محیط انجام میدهد ($W$). انرژی نه به وجود میآید و نه از بین میرود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود.
مثال: وقتی دوچرخه باد میکنید (کار $W$ روی پمپ انجام میدهید)، دمای پمپ و هوای داخل آن بالا میرود (افزایش $\Delta U$). بخشی از این کار ممکن است به صورت گرما ($Q$) به محیط پس داده شود. معادلهی بالا رابطهی دقیق این مقادیر را نشان میدهد.
قانون دوم ترمودینامیک (جهت طبیعی فرایندها):
این قانون میگوید گرما به طور خودبهخود از جسم سرد به جسم گرم جریان نمییابد. همچنین، هیچ ماشینی نمیتواند تمام گرمای دریافتی را به کار مفید تبدیل کند؛ همواره بخشی تلف میشود. این قانون مفهوم آنتروپی16 (معیاری از بینظمی) را معرفی میکند که در یک سیستم ایزوله همواره افزایش مییابد.
مثال: یک قطعه یخ در یک لیوان آب گرم ذوب میشود. گرما خودبهخود از آب گرم به یخ (جسم سرد) منتقل میشود، نه برعکس. پس از ذوب، بینظمی کل (آب و ذرات آن) بیشتر شده است. این افزایش آنتروپی، جهت فرایند را تعیین میکند.
از نظریه تا عمل: فرایندها در فناوری و طبیعت
این مفاهیم انتزاعی، پایهی عملکرد بسیاری از دستگاههای اطراف ما هستند.
- موتورهای درونسوز (خودرو): یک چرخهی ترمودینامیکی نزدیک به چرخهی اتو17 را اجرا میکنند. مخلوط سوخت و هوا فشرده میشود (فرایند بیدررو یا همدما نیست، ولی سریع است)، میسوزد (افزایش دما و فشار در حجم تقریباً ثابت)، منبسط میشود و کار انجام میدهد (فرایند بیدررو)، و در نهایت گازهای خروجی تخلیه میشوند. این چرخه مدام تکرار میشود.
- یخچال: یک چرخهی معکوس ترمودینامیکی است. با مصرف کار الکتریکی (کمپرسور)، گرما را از داخل محفظهی سرد (سیستم) گرفته و به محیط گرمتر آشپزخانه پس میدهد. این فرایندی است که بر خلاف جهت طبیعی (قانون دوم) پیش میرود و برای انجام آن باید کار مصرف کرد.
- تنفس: هنگام دم، ماهیچههای قفسهی سینه کار انجام میدهند، حجم ریهها افزایش مییابد و فشار داخل ریه کم میشود. در نتیجه هوای بیرون (با فشار بیشتر) به داخل ریهها جریان مییابد. این یک فرایند پیچیده است که در آن تغییرات فشار و حجم نقش کلیدی دارند.
- بادکنک در آفتاب: اگر یک بادکنک بادشده را زیر آفتاب بگذارید، دمای هوای داخل آن افزایش مییابد. اگر فرض کنیم بادکنک کشسان است و فشار داخل آن تقریباً ثابت (فشار اتمسفر به اضافهی کشش سطحی) باقی بماند، این یک فرایند همفشار است. با افزایش دما، حجم بادکنک بزرگ میشود ($V \propto T$).
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
سوال: آیا «گرم شدن» همیشه به معنای «دریافت گرما» از محیط است؟
پاسخ: خیر. طبق قانون اول ($\Delta U = Q - W$)، انرژی درونی ($U$) و در نتیجه دما میتواند از دو راه افزایش یابد: یا با دریافت گرما ($Q>0$)، یا با انجام کار روی سیستم ($W$ منفی، زیرا کار سیستم روی محیط کم میشود). وقتی تایر دوچرخه را سریع پمپ میکنید، روی هوا کار میکنید و دمای آن بدون دریافت گرما از بیرون بالا میرود (یک فرایند تقریباً بیدررو).
سوال: چرا در فرایند همدما، اگر گاز منبسط شود و کار انجام دهد، دما ثابت میماند؟
پاسخ: زیرا در یک فرایند همدما ایدهآل، سیستم باید بتواند با محیط اطراف خود تبادل گرما کند. وقتی گاز منبسط میشود و روی پیستون کار انجام میدهد، انرژی درونی آن تمایل به کاهش دارد (چون انرژی صرف انجام کار شده). برای جلوگیری از این کاهش دما، باید به همان میزان گرما ($Q$) از محیط به سیستم جریان یابد تا $\Delta U = 0$ باقی بماند و در نتیجه دما ثابت بماند. پس: $Q = W$.
سوال: آیا میتوان یک فرایند ۱۰۰٪ بازده داشت؟ یعنی تمام گرمای ورودی را به کار تبدیل کرد؟
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج و نقض قانون دوم ترمودینامیک است. هیچ موتور حرارتی نمیتواند تمام گرمای دریافتی را به کار مفید تبدیل کند. همیشه بخشی از گرما باید به یک منبع سردتر (مثل محیط) دفع شود. این ضرورت، محدودیت بنیادی را برای بازده تمام ماشینهای حرارتی ایجاد میکند. مفهوم آنتروپی توضیح میدهد که چرا این تلفات اجتنابناپذیر هستند.
جمعبندی: فرایند ترمودینامیکی، زبان توصیف تغییر در جهان فیزیکی است. ما با تعریف یک سیستم و مرز آن شروع میکنیم. سپس تغییر حالت سیستم را از طریق فرایندهایی مانند همدما، همفشار، بیدررو و همحجم بررسی میکنیم. همهی این تغییرات تابع دو قانون کلیدی هستند: قانون اول که پایستگی انرژی را حکم میکند و قانون دوم که جهت طبیعی فرایندها و مفهوم افزایش آنتروپی را بیان میدارد. از موتور خودرو گرفته تا تنفس ما و از یخچال خانه تا ستارگان دور، درک این فرایندها پنجرهای به سوی فهم عمیقتر چگونگی کارکرد جهان میگشاید.
پاورقی
1 Thermodynamic Process
2 Heat
3 Work
4 System
5 Surroundings
6 Boundary
7 Pressure
8 Volume
9 Temperature
10 Isothermal Process
11 Isobaric Process
12 Adiabatic Process
13 Isochoric (Isometric) Process
14 Cyclic Process
15 Internal Energy
16 Entropy
17 Otto Cycle
انواع فرایند ترمودینامیکی
قانون اول ترمودینامیک
سیستم و محیط
آنتروپی و قانون دوم
کاربردهای عملی ترمودینامیک
