این پاورپوینت مباحث ترمودینامیک و مکانیک آماری را براساس کتاب زیمانسکی با محوریت مفاهیم دما، انرژی، آنتروپی و گازهای کامل ارائه می دهد.
درس: ترمودینامیک و مکانیک آماری THERMODYNAMICS
جایگاه این درس:
گذراندن این درس برای تمام گرایشهای رشته فیزیک دوره کارشناسی الزامی می باشد.
همچنین به عنوان چهار (4) واحد درسی تدریس می شود.
درس: ترمودینامیک و مکانیک آماری
منبع درس: حرارت و ترمودینامیک
نویسنده: م. و. زیمانسکی ر. دیتمن ترجمه: توتونچی و همکاران (مرکز نشر)
علی اصغر شکری
4 واحد درسی
دانشگاه پیام نور (مرکز تهران)
مقدمه :
ترمودینامیک به عنوان یکی از پایه ای ترین شاخه های فیزیک کلاسیک، به مطالعه و تحلیل تبدیل انرژی بین صورت های مختلف آن می پردازد. این علم در پی تبیین قوانین حاکم بر رابطه ی میان گرما، کار و انرژی داخلی سیستم های مختلف است. ساختار علمی این حوزه، بر مبنای مفاهیم بنیادی همچون دما، فشار، حجم، کار و گرما شکل گرفته و تحلیل دقیق رفتار سیستم های فیزیکی را امکان پذیر می سازد. در این میان، قانون صفرم، اولین گام مفهومی در تعریف دما و تعادل گرمایی محسوب می شود که بنیان اندازه گیری های دمایی را فراهم می کند.
با گذر به بررسی سیستم های ترمودینامیکی ساده، شناخت نمودارهای PV و Pθ و تحلیل حالت ماده در شرایط مختلف، امکان بررسی عمیق تر رفتار ترمودینامیکی مواد را می دهد. شناخت مختصات های فزونوری و نافزونوری نیز در توصیف دقیق ویژگی های سیستم ها نقش حیاتی دارد. مفهوم کار مکانیکی در فیزیک ترمودینامیکی نیز به عنوان حلقه ی اتصال بین خواص ماکروسکوپی و فرآیندهای واقعی، اهمیت بالایی دارد. تحلیل کار در سیستم های مختلف از جمله سیستم های هیدرواستاتیکی، درک ما را نسبت به پویایی فرآیندها تقویت می کند.
قانون اول ترمودینامیک با تمرکز بر بقای انرژی در قالب گرما و کار، پایه ای ترین اصل حاکم بر رفتار انرژی در سیستم های بسته است. در این زمینه، تحلیل ظرفیت های گرمایی و روش های انتقال گرما از طریق رسانش، همرفت و تابش، ابزاری ضروری برای مدل سازی دقیق فرآیندهای فیزیکی به شمار می روند. گسترش این مفاهیم در فصل مربوط به گازهای کامل با تاکید بر معادلات حالت، انرژی داخلی و فرآیندهای بی دررو، مسیر درک نظریه ی جنبشی گازها را نیز هموار می کند.
قانون دوم ترمودینامیک با تمرکز بر محدودیت های تبدیل انرژی و تعریف مفاهیم ماشین های حرارتی، بازده و یخچال، لایه ی پیچیده تری از تحلیل انرژی را آشکار می سازد. بیان های مختلف این قانون از دیدگاه کلوین-پلانک و کلازیوس، زمینه ای برای فهم برگشت ناپذیری فرآیندها و توجیه رفتار طبیعی سیستم ها فراهم می کنند. به دنبال این مباحث، مفهوم برگشت پذیری و تحلیل شرایط آن در فرآیندهای فیزیکی نیز به صورت جداگانه مورد توجه قرار می گیرد.
آنتروپی به عنوان یکی از کلیدی ترین مفاهیم در ترمودینامیک، با تبیین ویژگی های برگشت ناپذیری و بی نظمی در سیستم ها، به تحلیل چرخه های حرارتی مانند چرخه کارنو عمق بیشتری می بخشد. اصل افزایش آنتروپی، قاعده ای بنیادی در جهت تبیین مسیر طبیعی رخدادهای فیزیکی بوده و نمودارهای TS و تحلیل جریان و تولید آنتروپی، ابزارهای گرافیکی و ریاضی برای بررسی دقیق تر این اصل محسوب می شوند.
بررسی مواد خالص و توابع حالت آن ها شامل آنتالپی، انرژی آزاد هلمولتز و گیبس، امکان تحلیل فرآیندهای پیچیده تری مانند انبساط گرمایی و تراکم پذیری را فراهم می سازد. روابط ماکسول، معادلات TS و ظرفیت های گرمایی نیز به عنوان ابزارهای تحلیلی برای بررسی رفتار مواد تحت شرایط مختلف دما و فشار نقش اساسی دارند. از این منظر، شناخت دقیق این توابع حالت، راه گشای بررسی پدیده های ترمودینامیکی در فازهای مختلف مواد است.
در پایان مکانیک آماری با نگاهی از سطح میکروسکوپی، بنیان های آماری ترمودینامیک را مورد توجه قرار می دهد. از طریق توزیع های آماری مانند توزیع تندی مولکولی، تابع پارش و اصول تعادل آماری، می توان تعبیری دقیق از مفاهیم کلاسیکی مانند کار، گرما و آنتروپی ارائه داد. این فصل با تکیه بر پیوند میان بی نظمی، آنتروپی و اطلاعات، درک عمیق تری از رفتار سیستم های پیچیده و اصول بنیادی حاکم بر آن ها ارائه می کند.
فهرست مطالب:
فصل 1 (دما)
هدف ترمودینامیک
دیدگاههای میکروسکوپی و ماکروسکوپی
تعادل گرمایی
قانون صفرم ترمودینامیک
مفهوم دما
مقیاس دماسنجی
مثالها
فصل 2 (سیستمهای ترمودینامیکی ساده)
تعادل ترمودینامیکی
نمودار PV مواد خالص
حالت ماده
نمودار P مواد خالص
چند سیستم ترمودینامیکی ساده
مختصاتهای فزونوری و نافزونوری
فصل 3 (کار)
کار مکانیکی
فرایند ایستاوار
کار سیستم هیدرواستاتیکی
محاسبه کار چند سیستم ترمودینامیکی
مثالها
فصل 4 (گرما و قانون اول ترمودینامیک)
گرما
کار بی دررو
قانون اول ترمودینامیک
فرمولبندی قانون اول ترمودینامیک
انتقال گرما و ظرفیت گرمایی
انتقال گرما: رسانش
انتقال گرما: همرفت
انتقال گرما: تابش
مثالها
فصل 5 (گازهای کامل)
معادله حالت یک گاز
انرژی داخلی یک گاز
گاز کامل
فرایندهای ایستاورا بی دررو
روش روخ هارت برای اندازه گیری ضریب اتمیسیته گازها
سرعت موج طولی
دماسنج صوتی
نظریه جنبشی گازها (دیدگاه میکروسکوپی)
معادله حالت یک گاز کامل
فصل 6 (ماشین، یخچال و قانون دوم ترمودینامیک)
تبدیل کار به گرما و بالعکس
ماشین استرلینگ
ماشین بخار
ماشینهای درونسوز
قانون دوم ترمودینامیک به بیان کلوین پلانک
یخچال
هم ارزی بیان کلوین پلانک با بیان کلاوسیوس
فصل 7 (برگشت پذیری و مقیاس دمای کلوین)
برگشت پذیری و برگشت ناپذیری
برگشت ناپذیری مکانیکی خارجی و داخلی
برگشت ناپذیری گرمایی خارجی و داخلی
برگشت ناپذیری شیمیایی
شرایط برگشت پذیری
وجود سطوح بی درروی برگشت پذیر
مقیاس دمای کلوین و تساوی آن با دمای گاز کامل
فصل 8 (آنتروپی)
مفهوم آنتروپی
آنتروپی یک گاز کامل
نمودار TS
چرخه کارنو
آنتروپی و برگشت پذیری و برگشت ناپذیری
اصل افزایش آنتروپی
آنتروپی و بی نظمی
جریان آنتروپی و تولید آنتروپی
فصل 9 (مواد خالص)
آنتالپی
توابع هلمولتز و گیبس
روابط ماکسول
معادلات TS
معادلات انرژی
معادلات ظرفیت گرمایی
انبساط گرمایی
ضریب تراکم
فصل 10 (مکانیک آماری (فصل 11 کتاب مرجع))
اصول اساسی
توزیع تعادلی
تابع پارش یا افراز
تقسیم مساوی انرژی
توزیع تندیهای مولکولی
تعبیر آماری کار و گرما
بی نظمی، آنتروپی و اطلاعات
