up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله فرآيندهاي ترموديناميکي PDF
QR code - فرآيندهاي ترموديناميکي

فرآيندهاي ترموديناميکي

● مقدمه
يک حالت تعادل با مقادير پارامترهاي ماکروسکوپيک T ، V ، P مشخص ميشود. مقادير ماکروسکوپيک و روشهاي اندازه گيري P و V نياز به توضيحات اضافي ندارند.
يک گاز ايدهآل ميتواند به صورت گازي که از قانون بويل _ ماريوت بر طبق قاعده زير تبعيت ميکند، تعريف شود:
براي يک گاز با جرم ثابت ، فشار حاصل شده توسط حجم فقط بستگي به درجه حرارت دارد. ميدانيم که درجه حرارت ثابت همان دماي ثابت است. بنابراين منظور ما با بيان درستي قانون بويل _ ماريوت براي تمامي دماهاي ممکنه ، کاملا واضح است. در حاليکه خود دما هنوز تعيين نشده است. در نتيجه ما ميتوانيم قبل از تعريف نحوه اندازه گيري درجه حرارت ، ايدهآل بودن يک گاز را بررسي کنيم.
اگر ايدهآل بودن گاز مشخص شود، ما ميتوانيم بستگي دمايي ،PV را از فرمول مسلم فرض کنيم. بعد از اين ، گاز ايدهآل به عنوان جسم دماسنجي بکار برده ميشود، در حاليکه درجه حرارت بر طبق رابطه قبل با در نظر گرفتن P به عنوان ويژگي دماسنجي مشخص ميشود. اين ويژگي که به اين صورت تعريف ميشود، درجه حرارت ناميده ميشود و در ادامه به عنوان T معين ميشود.
بنابراين ميتوان فرض کرد که سومين پارامتر ماکروسکوپيک T که يک حالت تعادل سيستم را مشخص ميکند، تعريف شده است. ما يک فرآيند را تحول يا انتقال از يک حالت تعادل به حالت تعادل ديگر ميناميم. يعني انتقال از برخي مقادير ، ، مربوط به پارامترها ، به مقادير ديگر ، ، . در اين تعريف ضروري است که حالتهاي اوليه و نهايي ، حالتهاي تعادل باشند.
● انواع فرآيندها
۱) فرآيند ناترازمندي يا عدم تعادل
۲) فرآيند تعادلي
۳) فرآيند برگشت پذير
۴) فرآيند برگشت ناپذير
الف) فرآيندهاي ناترازمندي يا عدم تعادل
فرض کنيد براي مثال بايد به يک حالتي با حجم متفاوت برسيم. واضح است که اگر تحول به آرامي انجام نشود، فشار به همراه دما براي مدت زيادي در اين حجم ثابت نخواهد ماند. در حالت کلي ، صحبت درباره هر فشار و دماي معيني بيمعني خواهد بود، چون آنها در نقاط مختلف ، متفاوت خواهد بود. به علاوه ، توزيع فشار و دما در يک حجم فقط به حالتهايي اوليه و نهايي بستگي ندارد، بلکه به نحوه انجام اين تحول نيز وابسته است. بنابراين حالتهاي مياني در يک چنين فرايندي ، ناترازمند هستند. اين فرآيند ، فرآيند ناترازمندي (فرآيند عدم تعادل) ناميده ميشود.
ب) فرآيند تعادلي
يک تحول ميتواند به طرق مختلفي تکامل يابد. يعني بينهايت آرام صورت گيرد. بعد از يک تغيير بسيار کوچک در پارامترها ، تغيير بعدي تا رسيدن سيستم به حالت تعادل صورت نميگيرد، يعني تمام پارامترها در سراسر سيستم ، با مقادير ثابت فرض ميشوند. بعد از آن مرحله بعدي صورت ميگيرد و به همين ترتيب ادامه مييابد. بنابراين ، تمامي فرآيند شامل حالتهاي تعادلي متوالي است. چنين فرايندي، فرآيند تعادلي ناميده ميشود. در معادله حالت يک گاز ايدهآل ، ، دو تا از پارامترها (هر کدام) ميتوانند به عنوان پارامترهاي مستقل در نظر گرفته شوند و مشخص کننده فرآيند باشند. يک نمونه از اين فرآيند در انتقال از حالت و به حالت و در نظر گرفته ميشود. در هر نقطه از اين فرآيند ، دما منحصرا از معادله حالت بدست ميآيد.
ج) فرآيندهاي برگشت پذير و برگشت ناپذير
فرآيندي که در تحول برگشت از حالت نهايي به حالت اوليه توسط حالت مياني ، نظير فرآيند جلو برنده ، انجام گيرد، فرآيند بازگشت پذير ناميده ميشود.
اگر فرآيند برگشت ، بوسيله همان حالت مياني غير ممکن باشد، فرآيند بازگشت ناپذير است.
واضح است که يک فرايند غير تعادلي (ناتراز مندي) در حالت کلي نميتواند برگشت پذير باشد. از طرف ديگر ، يک فرآيند تعادلي همواره برگشت پذير است. البته اين به آن معنا نيست که مفهوم فرآيند برگشت پذير ، معادل يک فرآيند بسيار آرام (کند) باشد. برخي فرآيندهاي بينهايت آرام غير قابل برگشت (برگشت ناپذير) هستند. براي مثال تغيير شکل مومسان (پلاستيکي) جامدات ممکن است به صورت بينهايت آرام صورت گيرد، ولي با وجود اين يک فرآيند برگشت ناپذير است.
بنابراين از اين پس فقط فرآيندهاي برگشت پذير را در نظر خواهيم گرفت. به مثالي در مورد انبساط همدما (تک دما) در يک گاز توجه کنيد. گازي با حجم اوليه در ظرفي که با پيستوني مسدود شده است، قرار دارد. براي کنترل فشار پيستون روي آن دانههاي شن و ماسه ريخته شده است. بعد از اينکه حجم گاز از به V افزايش يافت. انتقال بعدي دانههاي شن و ماسه از روي پيستون متوقف ميشود. گاز مراحل متوالي را طي کرده است که در هر کدام از مراحل مقادير حجم و فشار معين بود، در حالي که درجه حرارت ثابت ميماند. کار انجام گرفته توسط گاز برابر بيرون راندن هواي اتمسفري از حجمي است که اکنون توسط گاز در داخل سيلندر اشغال شده است و پيستون به همراه شن تا ارتفاع مشخصي بالا برده شده است. دانههاي شن که به منظور بالا بردن پيستون تا ارتفاعهاي مختلف در آنجا قرار داده شدهاند، برداشته ميشوند.
حال بياييد به تدريج پيستون را با دانههاي شن پر کنيم که قبلا به منظور بالا بردن پيستون برداشته شده بودند و آن را به ارتفاع اوليه برسانيم. اين دانههاي شن ، جرم پيستون را افزايش ميدهند. در نتيجه ، فشار گاز افزايش مييابد و با شروع فشرده شدن ، حجم آن کاهش مييابد. کل فرآيند در جهت معکوس انجام ميگيرد و دما به علت مبادله گرما با محيط پيرامون در يک مقدار ثابت باقي ميماند. فشار گاز مربوط به هر کدام از وضعيتهاي سيلندر نظير فرآيند انبساط گاز است. در نتيجه ، با کاهش حجم ، گاز موجود در سيلندر تمامي حالتهاي فرآيند انبساط را طي ميکند. ولي اين بار نظم (ترتيب) در جهت عکس است.
وقتي که گاز تا حجم فشرده ميشود، پيستون همه دانههاي شن را که قبلا برداشته شده بود، حمل ميکند. حال جرم پيستون به همراه شن برابر است. بنابراين کل سيستم به حالت اوليه برگشته است. انبساط و فشرده شدن (انقباض) گاز به صورت معکوش صورت ميگيرد.
همچنين گاز ميتواند به صورت بازگشت ناپذير انبساط يابد، براي مثال با برداشتن سريع تمامي دانههاي شن از روي پيستون ، وقتي که پيستون در پايينترين موقعيت است. در اين صورت جرم پيستون بدون شن به اندازه کافي سبک خواهد بود. تحت اين شرايط ، پيستون با شتاب زيادي به سمت بالا حرکت خواهد کرد و در نتيجه حجم گاز افزايش خواهد يافت. در اين حالت درجه حرارت تغيير ميکند و در قسمتهاي مختلف حجم سيلندر مقادير متفاوتي را خواهد داشت و فقط حجم گاز مقدار معيني را دارا خواهد بود. حالت گاز موجود در سيلندر با هيچ يک از مقادير P و V قابل توصيف نيست. بدين علت فرآيند نميتواند با يک خط پيوسته نظير فرآيندهاي برگشت پذير نمايش داده شود.
▪ نکته ۱
تمامي حالتهاي مياني در يک فرآيند تعادلي ، حالتهاي متعادل هستند. در حاليکه حالتهاي مياني در يک فرآيند ناترازمند ، شامل حالتهاي ناترازمندي هستند.
فرآيندهاي تعادلي برگشت پذير هستند، در حاليکه فرآيندهاي ناترازمندي ، برگشت ناپذير هستند.
يک فرايند بينهايت آرام (کند) لزوما يک فرآيند تعادلي و برگشت پذير نيست.
▪ نکته ۲
تغيير حالت در يک سيستم همواره با يک تحول به حالت غير تعادلي يادآوري ميشود. هر چه تغيير در سيستم سريعتر صورت گيرد، اهميت انحراف از حالت غير تعادلي بيشتر ميشود. براي برگشت به حالت تعادل مقدار زمان زيادي لازم است. از اين رو با تغيير حالت سيستم به صورت بسيار آرام ، ما سيستم را از حالت تعادل خارج نخواهيم کرد و از طرف ديگر ، با زماندهي کافي به سيستم براي برگشت به حالت تعادل در هر مرحله مياني ، سيستم از حالت تعادل خارج نخواهد شد. در نتيجه سيستم حالتهاي تعادلي متوالي را طي خواهد کرد.
تقريبي در نظر گرفتن اين اظهارات و فرض کردن اين که سيستم فقط يک رشته حالتهاي نزديک تعادلي و نه خود تعادلي را طي ميکند، کاملا اشتباه است و در واقع خود حالت تعادل توسط افت و خيزهايي بوسيله حالتهاي غير تعادلي بدست ميآيد. بنابراين اگر حالتهاي نزديک تعادل با حالتهاي تعادلي بوسيله مقدار کوچکي نسبت به حالتهاي افت و خيز تفاوت داشته باشد، آنها به سادگي ميتوانند به عنوان حالتهاي تعادلي در نظر گرفته شوند. اين مطلب همواره ميتواند حاصل شود، به شرطي که فرآيند به اندازه کافي آرام انجام گيرد.

توليد SMC با تهيه محلول آبكي (slurry) از مواد در يك دستگاه مخلوط ساز با سرعت بالا آغاز مي گردد. همهٔ اجزاء باستثناء تغليظ كننده بمدت ۱۵ دقيقه با هم مخ ...

●لايه گذاري دستي يا hand lay up در اين روش، ابتدا رها ساز روي سطح قالب اسپري مي شود تا جدا كردن قطعه ساخته شده به سهولت انجام بگيرد. سپس ژل كوت روي آن ...

جوشکاري يکي از روشهاي توليد مي باشد. هدف آن اتصال دايمي مواد مهندسي (فلز، سراميک، پليمر، کامپوزيت) به يکديگر است به گونه اي که خواص اتصال برابر خواص م ...

● مقدمه يک حالت تعادل با مقادير پارامترهاي ماکروسکوپيک T ، V ، P مشخص مي شود. مقادير ماکروسکوپيک و روشهاي اندازه گيري P و V نياز به توضيحات اضافي ندار ...

موتورهاي جديد براي کارکرد بهتر با کمترين ميزان توليد آلاينده ها و کمترين ميزان اتلاف سوخت به روغن هايي با کارايي بسيار بالا نياز دارند. توليدکنندگان ر ...

● فرايند موم گيري کاتاليستي فرايندهاي ايزومريزاسيون هيدروژني موم گيري کاتاليستي که از۲۰ سال گذشته به جاي موم گيري با حلال پيشنهاد شده است از تکنولوژي ...

يکي از بهترين تعريف هايي که از مهندسي برق شده است, اين است که محور اصلي فعاليت هاي مهندسي برق, تبديل يک سيگنال به سيگنال ديگر است که البته اين سيگنال ...

امروزه در بسياري از فرآيندهاي صنعتي ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزينه و با دقت زياد مورد نظر است در همين راستا بکارگيري سيال تحت فشار در انتقال و ک ...

دانلود نسخه PDF - فرآيندهاي ترموديناميکي