ترمودینامیک: «مطالعه ی شیمی فیزیک را با ترمودینامیک آغاز می کنیم. ترمودینامیک (از کلمات یونانی «گرما» و «توان») مطالعه ی گرما، کار، انرژی و تغییرات در حالتهای سیستم توسط آنهاست. در یک مفهوم وسیعتر، ترمودنیامیک روابط میان خواص ماکروسکوپی سیستم را مطالعه می کند. خاصیت کلیدی در ترمودینامیک دماست و گاهی ترمودینامیک به عنوان مطالعه ی رابطه ی دما با خواص ماکروسکوپی ماده تعریف می شود.

 ترمودینامیک چیست؟

متشکرم که یادآوری می‌کنید! بله، این بار کاملاً روی تمام جنبه‌ها تمرکز می‌کنم تا یک محتوای کامل و بهینه از نظر سئو، ساختاربندی و ویژگی‌ها ارائه بدم.

متن شما در مورد ترمودینامیک یک مطلب پایه و اساسی در شیمی و فیزیک هست و فرصت خوبی برای تولید یک محتوای آموزشی و مرجع.

آماده‌ام که این رو به بهترین شکل ممکن پردازش کنم:

ترمودینامیک: مطالعه گرما، کار و انرژی در سیستم‌های فیزیکی

ترمودینامیک، شاخه‌ای اساسی از علم شیمی فیزیک، به بررسی روابط بین گرما، کار، انرژی و تغییرات حالت سیستم‌ها می‌پردازد. این علم که ریشه‌های آن در تلاش مهندسین قرن نوزدهم برای بهینه‌سازی ماشین‌های بخار نهفته است، مفاهیم بنیادینی را برای درک جهان فیزیکی ارائه می‌دهد. از تعریف سیستم‌های ترمودینامیکی گرفته تا سه قانون اصلی آن، ترمودینامیک ابزاری قدرتمند برای تحلیل فرایندهای طبیعی و صنعتی است.

۱. مقدمه: چیستی و اهمیت ترمودینامیک

ترمودینامیک (برگرفته از واژگان یونانی “گرما” و “توان”)، علمی است که به طور گسترده به مطالعه گرما، کار، انرژی و تغییرات حالت سیستم‌ها توسط این عوامل می‌پردازد. در تعریفی وسیع‌تر، این علم روابط میان خواص ماکروسکوپی سیستم‌ها را بررسی می‌کند. دما، خاصیت کلیدی در ترمودینامیک است و گاهی این علم را مطالعه رابطه دما با خواص ماکروسکوپی ماده تعریف می‌کنند.

ترمودینامیک تعادلی، یک علم ماکروسکوپی است و مستقل از نظریه‌های ساختار مولکولی عمل می‌کند؛ به این معنی که برای سیستم‌هایی با ابعاد مولکولی کاربرد ندارد و یک سیستم باید شامل تعداد زیادی مولکول باشد تا رفتار ترمودینامیکی از خود نشان دهد.

۲. سیستم‌ها و خواص ترمودینامیکی: عناصر پایه تحلیل

۲.۱. سیستم‌های ترمودینامیکی

سیستم ترمودینامیکی به بخش ماکروسکوپی از جهان گفته می‌شود که تحت مطالعه قرار می‌گیرد. محیط نیز به بخش‌هایی از جهان اطلاق می‌شود که می‌توانند با سیستم برهم‌کنش داشته باشند.

• سیستم باز (Open System): ماده و انرژی می‌توانند بین سیستم و محیط منتقل شوند.
• سیستم بسته (Closed System): انرژی می‌تواند بین سیستم و محیط انتقال یابد، اما ماده نمی‌تواند منتقل شود. (معمولاً در ترمودینامیک با این نوع سیستم‌ها سروکار داریم.)
• سیستم منزوی (Isolated System): هیچ برهم‌کنشی با محیطش ندارد؛ نه ماده و نه انرژی جابجا نمی‌شود. بدیهی است که یک سیستم منزوی، همواره یک سیستم بسته است، اما هر سیستم بسته‌ای منزوی نیست.

توجه به نوع سیستم مورد مطالعه حیاتی است، زیرا یک عبارت ترمودینامیکی ممکن است برای یک نوع سیستم معتبر باشد اما برای دیگری نه.

۲.۲. خواص ترمودینامیکی

خواص ترمودینامیکی را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:

• خواص مقداری (Extensive Properties): مقدار این خواص معادل جمع مقادیر مربوط به قسمت‌های مختلف سیستم است. به عنوان مثال، جرم و حجم خواص مقداری هستند. اگر سیستمی به دو قسمت تقسیم شود، جرم کل سیستم مجموع جرم‌های آن دو قسمت است.
• خواص شدتی (Intensive Properties): این خواص به مقدار ماده در سیستم وابسته نیستند. چگالی و فشار نمونه‌هایی از خواص شدتی هستند. به عنوان مثال، یک قطره آب یا یک استخر پر از آب، چگالی یکسانی دارند.

۳. قوانین اصلی ترمودینامیک: سنگ بنای درک انرژی

قوانین ترمودینامیک محدودیت‌هایی بر عملکرد ماشین‌های تولیدکننده انرژی مکانیکی اعمال می‌کنند و به ما در درک تبدیل اشکال مختلف انرژی، به‌ویژه تبدیل گرما به سایر شکل‌های انرژی، کمک می‌کنند.

۳.۱. قانون اول ترمودینامیک: بقای انرژی

قانون اول ترمودینامیک، که معمولاً قانون بقای انرژی نامیده می‌شود، به تعریف تابع حالت ترمودینامیکی جدیدی به نام انرژی داخلی (U) منجر می‌شود. این قانون یک اصل موضوعی است که بیان می‌کند:

• انرژی داخلی (U) یک تابع حالت از متغیرهای سیستم است.
• تغییر انرژی داخلی یک سیستم بسته (
  $$\Delta U$$

  ) در یک فرایند را می‌توان با استفاده از معادله

  $$\Delta U=Q+W$$

  محاسبه کرد، که در آن Q گرمای داده شده به سیستم و W کار انجام شده بر روی سیستم است.

این قانون اغلب بدین صورت بیان می‌شود که انرژی نه خلق می‌شود و نه از بین می‌رود، بلکه می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود. بنابراین، انرژی کل یک سیستم منزوی ثابت است. پیش از سال ۱۸۵۰، نقش گرما در اصل بقای انرژی روشن نبود، تا اینکه آزمایش‌های ژول به این معادله اساسی منجر شد. این قانون، مفهومی برای تعیین تغییرات انرژی داخلی فراهم می‌کند، نه مقدار مطلق آن.

مهندسان قرن نوزدهم به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می‌توان ماشینی ساخت که به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد (ماشین حرکت دائم). آزمایش‌ها و تلاش‌های فراوان نشان داد که ساخت چنین ماشینی غیرممکن است. قانون اول ترمودینامیک، چیزی نیست جز بیان همین عدم امکان ساخت ماشین‌های حرکت دائم نوع اول.

۳.۲. قانون دوم ترمودینامیک: جهت‌گیری فرایندها و آنتروپی

در حالی که قانون اول بقای انرژی را بیان می‌کند، هیچ محدودیتی بر جهت فرایندها نشان نمی‌دهد. اما در واقعیت، بسیاری از فرایندها یک جهت طبیعی دارند. قانون دوم ترمودینامیک، پاسخگوی این سوال مربوط به جهت است و معیاری برای پیش‌بینی خودبخودی بودن فرایندها ارائه می‌دهد.

• آنتروپی (S): کمیتی است که خودبخودی بودن یک واکنش شیمیایی یا تغییر فیزیکی را در یک سیستم منزوی بیان می‌کند. آنتروپی، مانند انرژی داخلی (U)، یک تابع حالت سیستم است.
• بیان قانون دوم: آنتروپی سیستم منزوی در یک فرایند خودبخودی افزایش می‌یابد.

فرایندهای برگشت‌ناپذیر (مانند سرد شدن یک شیء تا دمای محیط یا انبساط آزاد گازها) که به طور خودبخودی رخ می‌دهند، همواره با افزایش آنتروپی همراه هستند. در این فرایندها، آنتروپی “تولید” می‌شود. در مقابل، در فرایندهای برگشت‌پذیر، توازن وجود دارد و سیستم در هر مرحله با محیط در تعادل است؛ بنابراین، آنتروپی “ایجاد” نمی‌شود، بلکه تنها از بخشی از سیستم منزوی به بخش دیگر منتقل می‌گردد.

قانون دوم ترمودینامیک، از میان فرایندهایی که بر مبنای قانون اول مجاز هستند، آنهایی را که به طور خودبخودی رخ می‌دهند، مشخص می‌سازد.

۳.۳. قانون سوم ترمودینامیک: آنتروپی در صفر مطلق

قانون سوم ترمودینامیک به ما اجازه می‌دهد تا مقدار مطلق آنتروپی یک جسم را به دست آوریم. این قانون بیان می‌کند:

• هنگامی که انرژی یک سیستم به حداقل مقدار خود میل می‌کند (یعنی در دمای نزدیک به صفر مطلق)، آنتروپی سیستم به مقدار قابل چشم‌پوشی (یا صفر) می‌رسد.
  • به طور نمادین:
    T→۰lim​S=۰

در هنگام کاربرد این قانون، باید توجه داشت که آیا سیستم در دمای نزدیک به صفر مطلق در حال تعادل است یا خیر، زیرا با پایین آمدن دما، سرعت رسیدن به تعادل بسیار کاهش می‌یابد.

۴. نتیجه‌گیری: ترمودینامیک، ستون فقرات علوم پایه

ترمودینامیک، با قوانین سه‌گانه خود، چارچوبی قدرتمند برای درک انرژی، کار، گرما و جهت‌گیری خودبخودی فرایندها فراهم می‌آورد. این علم، از مهندسی ماشین‌های حرارتی تا پیش‌بینی خودبخودی بودن واکنش‌های شیمیایی، در بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعتی کاربرد دارد و نقش حیاتی در پیشرفت‌های علمی ایفا کرده است. درک سیستم‌های ترمودینامیکی و خواص آن‌ها، نقطه آغازین برای تسلط بر این حوزه پیچیده و جذاب است.

۵. منابع استفاده شده:

1. شیمی فیزیک- جلد اول- تألیف: رابرت ای- آلبرتی ترجمه: اصغر زینی اصفهانی- شهناز خالقی- چاپ اول ۱۳۷۴- مرکز نشر دانشگاهی
2. شیمی فیزیک- جلد اول- تألیف ایرالوین مترجمان: دکتر غلامرضا اسلامپور، دکتر غلامعباس پارسا فر- دکتر علی مقاری- دکتر بیژن نجفی چاپ چهارم ۱۳۸۲ ناشر: موسسه فرهنگی فاطمی

مطالعه بیشتر