الثلاثاء، 1 نوفمبر، 2016

كيمياء الديناميكا الحرارية

كيمياء الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية

  الديناميكا الحرارية : هي فرع من فروع الكيمياء القديمة التى تبحث عن العلاقة بين الحرارة والشغل ،  وتحويل إحداهما إلى الأخرى .

  كما تبحث عن  كيفية إنتاج الحرارة  وانتقالها من موقع  إلى آخر وتأثيرها  على المادة وكيفية  تخزينها . 

وهي علم تجريبي أو شبه تجريبي فجميع قوانينه وأساسياته مستخلصة من التجارب والمشاهدات الطبيعية .

أهمية دراسة الديناميكا الحرارية :

الديناميكا الحرارية تمكننا من أن نتوقع إمكانية حدوث التفاعل الكيميائي تلقائياً تحت ظروف معينة،

وبذلك فإنه يُمكننا توفير كثيراً من الجهد والوقت والمال ببعض حسابات الديناميكا الحرارية.

تعاريف ومصطلحات  الديناميكا الحرارية :

مراجعة عما سبق دراسته في اسس كيمياء فيزيائية

- الوحدات القياسية  لبعض الخواص

- قوانين الغازات: بويل  – شارل – القانون  العام للغازات

- تعريف الطاقة و  انواعها ووحدات قياسها

- انواع التفاعلات الكيميائية من حيث الطاقة

- ما الفرق بين درجة الحرارة و كمية الحرارة

- قياس كمية الحرارة (الحرارة  النوعية) (ما اسم  الجهاز المستخدم  في القياس)

          النظام الديناميكي  الحراري  Thermodynamics system :
محيط النظام  surrounding : 
هو الوسط المحيط بالنظام من فراغ أو مادة سواء تفاعل مع النظام أم لم يتفاعل . 
أمثلة على الأنظمة الحرارية : 
–1 غاز محصور في أسطوانة مزودة بمكبس . 
– 2غاز في وعاء . 
–3 جزيئات ما في محلول 
–4 شريط مطاطي ( نظام معقدّ(

–5 نظام التدفئة المركزية 
–6 نظام التبريد في أجهزة التبريد والآلات والمحركات 
–7 الآلات البخارية 

النظام في الديناميكا الحرارية هو عبارة عن كمية محددة وموصوفة من مادة تكون محاطة بغلاف ( أو حدود) حقيقي أو تخيلي , يمكن أن يكون ثابتاً أو متحركاً
النظام المفتوح open system:
هو الذي تسمح حدوده بتبادل الطاقة والمادة مع محيط النظام. 

أنواع الأنظمة :

النظام المغلق closed system:
وهو الذي لا تسمح حدوده بتبادل المادة مع محيط النظام ولكن تسمح بتبادل الطاقة.

و يتأثر هذا النظام بالوسط المحيط و يكون هناك احتمالية لان يصل النظام الى حالة ثابتة نهائية تسمى حالة اتزان مع الوسط المحيط

النظام المعزول isolated system:
هو الذي لا تسمح حدوده بتبادل المادة و الطاقة مع محيط النظام

هذا النظام لا يتأثر بالوسط الخارجى و تحدث له تغييرات داخلية يمكن ان تقاس باجهزة قياس مختلفة (ترمومتر او مقياس ضغط). تتوقف تلك التغيرات فى لحظة معينة و يقال ان النظام وصل الى حالة اتزان داخلى .

وصف النظام Description of the system:

 
للتعرف على النظام يلزم إعطاء وصف دقيق له و ذلك عن طريق دراسة العلاقة بين متغيرات النظام مثل: 

الكتلة والضغط والحجم ودرجة الحرارة ( يمكن قياسها )

والطاقة الداخلية والشغل ( يمكن حسابهما )

 وإذا حدث تغير في بعض هذه الكميات أو جميعها نقول هناك تغير في حالة النظام 

خواص النظامproperties of a system : 
يمكن تقسيمها الى مجموعتين:

1- خواص  شاملة: و هى الخواص التى تعتمد على كمية المادة الموجودة فى النظام مثل الكتلة – الحجم – السعة الحرارية -  الطاقة الداخلية – الطاقة الحرة

2- خواص  مركزة : خواص لا تعتمد على كمية  المادة الموجودة فى النظام  مثل الضغط – درجة الحرارة  – الكثافة – اللزوجة – التوتر  السطحى. كل هذه الخواص مميزة للمادة و لا تعتمد على كميتها

الطاقة الداخلية internal energy  
هي الطاقة الكلية للجزيئات ( طاقتها الحركية وطاقتها الكامنة التى تختزن بداخلها بسبب القوى المتبادلة بينها . 

1- الاتزان  الحراري Thermodynamic equilibrium :
هي الحالة التي ينعدم عندها انتقال الحرارة بين النظام و الوسط المحيط نتيجة تساوي درجة حرارتهما .

يتمثل هذا الاتزان مع القانون الصفرى للديناميكا الحرارية و ينص على :اذا تواجد نظامان فى حالة اتزان مع نظام ثالث فان النظامين فى حالة اتزان مع بعضهما

الاتزان الديناميكى الحرارى

 عند الاتزان تكون جميع المتغيرات ثابتة لا يحدث لها تغيير مع الزمن و تنقسم الى ثلاث حالات:

2- الاتزان  الميكانيكىDynamic equilibrium :
يحدث هذا الاتزان عندما لا يحدث اى تغير ميكرسكوبى للنظام مع الزمن

3- الاتزان  الكيميائىChemical equilibrium :
يحدث هذا الاتزان عندما لا يحدث اى تغير للمادة مع الزمن

و تتغير حالة النظام من حالة إلى أخرى عن طريق إضافة حرارة أو شغل

فى الديناميكا الحرارية يعامل الشغل على انه طاقة يمكن ان تنتقل عبر الحدود التى تفصل النظام عن الوسط المحيط

لنفرض لدينا نظام عبارة عن اسطوانة بها غاز محصور مزودة بمكبس خفيف قابل للحركة إلى أعلى وإلى أسفل بسهولة ( نظام ديناميكي حراري ) ، عندما نزود النظام ببطء بكمية من الحرارة ، فإن الغاز سيتمدد ببطء شديد ، نقول عندها أن النظام بذل شغلاً ، وبالمثل عندما نضغط على المكبس ببطء فإننا نقول أنه تم بذل شغل على النظام . 

المقصود بالشغل work: 

الحرارة والشغل

الكتاب ص 99-100  الشغل الميكانيكى

استنتاج قيمة الشغل المبذول على النظام او بواسطة النظام

إيجاد الشغل بيانيا : 

يمكن إيجاد الشغل بيانياً من خلال رسم العلاقة بين الحجم والضغط ، ويكون الشغل هو المساحة تحت المنحنى .

وعلى هذا يمكن ان تتغيرالطاقة الداخلية للنظام بطريقتين : 
1- انتقال طاقة حرارية من النظام (يفقد حرارة) او الى النظام (يكتسب حرارة)

 2- بذل شغل بواسطة النظام (تمدد) او على النظام (انكماش)

الحرارةHeat: 

انتقال الحرارة من النظام الى الوسط (و العكس) ينشأ نتيجة للفرق بين درجتى حرارة النظام و الوسط و ان تلامسهما هو الشرط البسيط الذى يضمن انتقال الحرارة بينهما.

ولا تعتبر الحرارة انها مجرد طاقة مخزونة فى النظام ، فعند اضافتها كطاقة الى اى نظام فانها تختزن وتتحول الى طاقة حركة و طاقة وضع للجسيمات التى يتكون منها النظام.

القانون الاول للديناميكا الحرارية:

«كمية الحرارة التي يمتصها النظام ( أو يفقدها ) تساوي مجموع التغير في طاقته الداخلية والشغل الذي يبذله ( أو يبذل عليه)»

يرتكز هذا القانون على ان اى نظام يمتلك كمية محددة من الطاقة الداخلية  E و تتكون هذه الطاقة من جميع انواع الطاقات (طاقة حركة – وضع – طاقة كيميائية – نووية).

    إذا اكتسب النظام كمية من الحرارة أو بذل على النظام شغلاً فإن طاقته الداخلية تزيد
    إذا فقد النظام كمية من الحرارة أو بذل النظام نفسه شغلاً فإن طاقته الداخلية تقل



الطاقة لا تفنى و لا تستحدث من عدم انما تتحول من صورة الى صورة اخرى من صور الطاقة

لنفترض أن لدينا نظاماً ديناميكياً حرارياً مكوناً من غاز محصور في أسطوانة مزودة بمكبس قابل للحركة ، فإذا سخنا هذا النظام ( أعطيناه حرارة ) فإننا نلاحظ : 
( 1 ) ارتفاع درجة حرارة الغاز ، أي أن الطاقة الداخلية للنظام زادت .  
( 2 ) تمدد الغاز و ارتفاع المكبس للأعلى ، أي أن النظام قد بذل شغلا . 
وبحسب قانون حفظ الطاقة فإن كمية الحرارة q التي أمتصها النظام تساوي التغير في طاقته الداخلية مضافا إليه الشغل الذي بذله النظام W

الصيغة الرياضية للقانون الأول للديناميكا الحرارية 

استنتاج صيغه الرياضية من ص 101 الى 107

q =  W + D E

جدول الإشارات : 

D E =  q - W

أو

ماذا يعني أن الطاقة الداخلية تابعة لحالة النظام؟

أي أنها تعتمد على الحالة الإبتدائية والحالة النهائية للنظام (ولا تعتمد على المسار الذي يسلكه النظام)

 هل يمكن قياس الطاقة الداخلية المطلقة لنظام E

لا يمكن ذلك لأن الطاقة الموجودة في النظام عديدة (طاقة روابط، الطاقة الحركية للجزيئات، طاقة

تجاذب بين الإلكترونات والبروتونات، طاقة التجاذب بين الجزيئات...)، وكذلك لعدم معرفتنا بسرعة

حركة جزيئات النظام، وذلك لعدم معرفتنا بقوى التجاذب بين الجزيئات على النظام.

الى ماذا يعزى (ما سبب) تغير الطاقة الداخلية لنظام ما؟

يعزى الى تغير نوع واحد أو أكثر من أشكال الطاقة المختلفة التي تكون الطاقة الداخلية للنظام. وتتغير

الطاقة لأي مجموعة إذا بذلت شغلاً أو بذل عليها شغل، أو إذا امتصت أو أطلقت حرارة.

الى ماذا يؤدي زيادة الطاقة الداخلية لنظام ما؟

• ارتفاع درجة حرارة النظام

• تغير طور المادة المكونة للنظام  (حدوث الذوبان أو التبخر)

• أو أن يحدث تفاعل كيميائي في الأنظمة الكيميائية إذا كانت الزيادة في الطاقة الداخلية كافية لكسر

الروابط الكيميائية وتسمح بتكوين روابط جديدة.

الى ماذا يؤدي انخفاض الطاقة الداخلية لنظام ما؟

• انخفاض درجة الحرارة للنظام

• أو تغير في الطور (حدوث تجمد أو تكثف.)

بعض العمليات ( الإجراءات ) الديناميكية الحرارية : 

- العملية الأيزوبارية  Isobaric process : 
هي العمليات التي تتم تحت ضغط ثابت ، ويحدث ذلك عندما نزود النظام بكمية من الحرارة ببطء ( أو يفقد ببطء ) ، فينتج عن ذلك زيادة الحجم ( ارتفاع المكبس ) ، ولأن التغير في الحجم كان بطيئا فإن هناك اتزانا ميكانيكيا وعليه فإن الضغط سيبقى ثابتا .
ومن الأمثلة على هذه العملية ما يتم في الآلة البخارية .( سيأتي شرحها لاحقا ( 

2- العملية الأيزوكورية  Isochoric process أو isovolumetric process :
هي العمليات التي تتم تحت حجم ثابت ، ويحدث ذلك عندما يكون النظام غير قابل للتمدد ( أي لا يوجد به مكبس خفيف قابل للحركة ) ويزود هذا النظام بكمية من الحرارة ( التسخين مثلا ) ، فينتج عن هذا زيادة في الضغط ، ومن الأمثلة على هذه العملية ما يتم في الاشتعال والانفجار المفاجئ في آلات الاحتراق الداخلي مثل محرك السيارة . 

3- العملية الأيزوثيرمية  Isothermal process : 
هي العمليات التي تتم تحت درجة حرارة ثابتة، ويحدث ذلك عندما نسمح بتمدد النظام مع بقاء درجة الحرارة ثابتة ( يقل الضغط تبعا لذلك ) أو بتقلص النظام ( يزداد الضغط تبعا لذلك ( 

4- العملية الكظمية  Adiabatic process : 
هي العمليات التي تتم في النظام المعزول حراريا عن الوسط المحيط به ، حيث يكون الغاز محصورا في أسطوانة معزولة حراريا ، ومزودة بمكبس حر الحركة .

-1 إيجاد الشغل بيانيا في العملية الأيزوكورية : 
بما أن الحجم ثابت V∆= صفر مع تغير في الضغط

فإن المنحنى سيكون خطا عموديا موازيا لمحور الضغط ( الصادي (  
ومن الرسم يتضح لنا أن

: W= صفر (لا توجد مساحة تحت المنحنى ( 

إيجاد الشغل المبذول في بعض العمليات ( الإجراءات ) الديناميكية الحرارية : 

 
2 ـ إيجاد الشغل بيانياً في العملية الأيزوبارية : 
بما أن الضغط ثابت مع تغير في الحجم ، فإن المنحنى سيكون مستقيما أفقيا موازياً لمحور الحجم ( السيني ) والشغل يساوي المساحة تحت المنحنى .

W= المساحة تحت المنحنى 

W = P DV = P (V2 – V1) 

W = 0

3- إيجاد الشغل بيانيا في العملية الأيزوثيرمية :

بما أنه عند ثبوت درجة الحرارة تكون العلاقة بين الضغط والحجم عكسية

وبالتالي فإن المنحنى سيكون ذا ميل سالب . 
ويعطى الشغل بالعلاقة التالية : W = P1V1 log (V2 / V1)

من قانون بويل :   P1 V1  =  P2 V2  او ( V2/ V1) = ( P1 /P2 ) 
و لذلك يصبح الشغل:

  4- إيجاد الشغل بيانيا في العملية الكظمية )الاديباتيكية )

بما أنه لا يوجد تبادل في الحرارة بين الغاز والوسط المحيط به حيث تتم هذه لعملية بسرعة كبيرة نسبيا ، فيكون الشغل مساويا للتغير في الطاقة الداخلية :

W = P1V1 log (P1 / P2)

W = - DE

و يمكننا القول بانه عند ثبوت درجة الحرارة يكون التغير فى الطاقة الداخلية يساوي صفرا  ، اى ان

ΔE = 0 = q - W   اى ان 

  W = q

    الأجراء

        يتم عند ثبوت W     DE
الايزوكورى                  
الايزوبارى                   

     الايزوثيرمى                    

الكظمى                       

    
ملخص العمليات الديناميكية الحرارية :

تطبيقات القانون الاول - طاقة الروابط

     الروابط الكيميائية هي القوى التي تربط ذرات العناصر مع بعضها البعض في الجزيئات أو المركبات.
    اى تفاعل كيميائى يكون عبارة عن كسر الروابط الموجودة بين ذرات جزيئات المواد المتفاعلة وتكوين روابط جديدة بين ذرات جزيئات المواد الناتجة عن التفاعل.

             2 H – Cl               H – H  + Cl – Cl

             تكوين رابطة                          كسر رابطة                                         

    تكوين او كسر اى رابطة يكون مصحوب بطاقة تسمى طاقة الرابطة (انثالبى رابطة).

 طاقة كسر  الرابطة  = طاقة تكوين نفس الرابطة.

    طاقة الرابطة هى مقدار الطاقة اللازمة لكسر هذه الرابطة فى مول واحد من المادة.
        ΔH =  المجموع الجبرى لطاقة كسر الروابط وطاقة تكوين الروابط.
    تعتبر طاقة الرابطة مقياس لقوة الارتباط بين الذرات. (يزداد تماسك الجزئ كلما زادت طاقة الرابطة)
    كسر الرابطة تفاعل ماص للطاقة (+) ، وهى طاقة لازمة للتغلب على قوى الجذب التى تربط الذرات
    تكوين الرابطة تفاعل طارد للطاقة (-)
    فى التفاعل الطارد للحرارة:- طاقة تكوين الروابط فى النواتج أكبر من طاقة كسر الروابط فى المتفاعلات.
    فى التفاعل الماص للحرارة:- طاقة تكوين الروابط فى النواتج أقل من طاقة كسر الروابط فى المتفاعلات.

     التفاعلات الطارد للحرارة: هى تفاعلات مصحوبة بانطلاق طاقة حرارية كناتج من نواتج التفاعل
    التفاعلات الماصة للحرارة: هى تفاعلات مصحوبة بامتصاص طاقة حرارية لإتمام التفاعل



DH  = H للنواتج  -  Hللمتفاعلات

    التفاعلات الطارد للحرارة:   للمتفاعلات Hاكبر من   للنواتج  H و لذلك  فإن   DHتكون سالبة
    التفاعلات الماصة للحرارة: للمتفاعلات Hاقل من   للنواتج  H و لذلك  فإن   DHتكون موجبة

    مثال احسبى التغير فى المحتوى الحرارى DH عند اتحاد غاز الهيدروجين مع غاز الكلور لتكوين جزئ واحد من غاز كلوريد الهيدروجين. علماً بأن طاقة الرابطة فى:-

    H2  = 435 kJ , Cl2 = 240 kJ,  HCl = 430 kJ
    

    ΔH    =  المجموع الجبرى لطاقة كسر الروابط وطاقة تكوين الروابط.

          =  675 + (-860) = -185 kJ

    H2 + Cl2                 2HCl, ΔH = - 185 K j   
        المحتوى الحرارى لجزئ HCl      
        -185        
        = - 92.5 kJ
        2
    
  = 
    2HCl             Cl2    +      H2
    2(H-Cl)         Cl – Cl       +      H – H
    2 x -430                240 +      435
              - 860          + 675
    

    احسبى DH بالكيلو جول للتفاعل الآتى: CH4 + Cl2                   H3Cl + HCl   

    وهل التفاعل طارد للحرارة أم ماص للحرارة مع ذكر السبب. إذا علمتى أن طاقة الرابطة: 

    CH3 – H = 104 kcal,   Cl-Cl = 58 kcal,   H-Cl = 103 kcal,   CH3-Cl = 84 kcal

    طاقة تفكك الرابطة و متوسط طاقات الراوابط
            فى جزئ الميثان CH4 يمكن ان تنكسر كل روابطه الاربع لكن تختلف الطاقة اللازمة للكسر بالنسبة لكل رابطة على الرغم من ان جميعهم من النوع C-H !! وتسمى طاقة الكسر بطاقة تفكك الرابطة

        CH4                   CH3 + H    DH = +425 KJ/mol

        CH3                   CH2 + H    DH = +470 KJ/mol

        CH2                  CH + H    DH = +416 KJ/mol

        CH                    C + H    DH = +335 KJ/mol
            لذلك عند إعطاء معلومات عن طاقة تفكك الرابطة لا نكتفى بذكر الرابطة فقط ، و انما يلزم تمييز ووصف تلك الرابطة
            ايضا طاقة الرابطة C-H فى جزئ الميثان تختلف عن طاقة الرابطة  C-H فى جزئ الايثان
            متوسط طاقات الروابط فى حالة الميثان هى عبارة عن مجموع طاقات التفكك مقسوما على عدد الراوبط ، اى (1646 / 4 = 412 KJ لكل C-H). و يكتب التفاعل هكذا:

    CH4                    C  + 4H,          DH = +412 KJ/mol    
    العوامل التى تؤثر على طاقة الرابطة

        1- طول الرابطة: كلما زاد حجم الذرات المرتبطة  كلما زاد طول الرابطة بينهما  كلما ضعفت الرابطة (اى قلت طاقتها) و ذلك بسبب تنافر السحابات الالكترونية فى حالة الذرات كبيرة الحجم.

        أمثلة:

        الرابطة I-I                Br-Br                Cl-Cl             F-F                                  

        طول الرابطة (nm) 0.226             0.228             0.199       0.142                 

        طاقة الرابطة (KJ) +151               +193              +242        +158                    

        يعزى صغر طاقة الرابطة فى حالة جزئ الفلور الى تنافر زوج الالكترون فى رابطة قصيرة

        2- عدد الكترونات  الرابطة: تزداد طاقة و قوة الرابطة كلما زاد عدد الالكترونات المكونة لتلك الرابطة. لذلك فالرابطة الثلاثية اقصر طولا و اقوى من الرابطة الثنائية التى بدورها اقصر طولا و اقوى من الرابطة الاحادية

        أمثلة:

        الرابطة C-O                 CC                C=C             C-C                                          C=O

        طاقة الرابطة (KJ)        +858               +837              +610            +346             +745 

        3- قطبية  الرابطة: كلما زاد الفرق فى  السالبية الكهربية بين ذرتين كلما كانت الرابطة بينهما اكثر قطبية، و ينتج عن ذلك زيادة الخاصية الايونية للرابطة و بالتالى تزداد طاقة و قوة الرابطة

        أمثلة:

        الرابطة N-H                O-H             F-H                                                      

        الفرق فى السالبية الكهربية بين الذرات 0.9                1.4               1.9           

        طاقة الرابطة (KJ)                                +388            +463            +562
        

    الالة الحرارية هي جهاز يقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى أشكال أخرى للطاقة مثل الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية 

    تطبيقات على القانون الاول للديناميكا الحرارية (الآلة الحرارية)

    وعند تطبيق القانون الأول في الديناميكا الحرارية

    DE = q – W   = (q2 – q1) – W

    ولأن المراحل السابقة هي دورة كاملة ، وبالتالي فإن ∆ E   = صفر 
    إذا (q2 – q1) – W = 0   أو
    

    مراحل دورة الآلة الحرارية : 
    –1 أخذ طاقة حرارية ( q2) من المستودع الساخن (مستودع حراري ذي درجة حرارة عالية و ثابتة ((T2) 
    –2 تُحول الآلة جزءاً من هذه الحرارة إلى شغل ميكانيكي ( الآلة تبذل شغلا( 
    –3 تطرد الآلة الحرارية الطاقة الحرارية ( q1) إلى المستودع البارد ذي درجة حرارة منخفضة ( T1). 

    W = (q2 – q1)

     –1 يمتص الماء الموجود في الغلاية الحرارة من المستودع الساخن فيتحول إلى بخار ذي درجة حرارة عالية  وضغط مرتفع   ( المستودع الساخن هنا عبارة عن وقود يتم حرقه لغلي الماء في الغلاية (

     –2 يُفتح صمام الدخول ويغلق صمام الخروج ، فيدخل البخار ليقوم بدفع المكبس إلى الخارج باذلا شغل ، وبذلك تنخفض درجة الحرارة البخار . 

    تابع تطبيقات القانون الاول - طريقة عمل الآلة البخارية

     –3 عندما يصل المكبس إلى حده الأقصى ليبدأ في الرجوع ، يُغلق صمام الدخول ويفتح صمام الخروج فيخرج البخار في درجة حرارة منخفضة ، ثم يصل إلى المكثف ، الذي يكثف هذا البخار ليتحول إلى ماء ، ونتيجة لذلك يفقد جزءا من طاقته الداخلية ، فتطرد الحرارة الناتجة عن ذلك ( الحرارة الكامنة للتكثيف ) إلى الهواء الخارجي الذي يعتبر بمثابة المستودع البارد .

    –4 تقوم المضخة بضخ الماء إلى الغلاية حيث تعاد الدورة من جديد .

     دورة كارنو هي أحد الدورات الديناميكية الانعكاسية المشهورة والتي سميت باسم المهندس الفرنسي ”سادي كارنو ( 1796ـ 1832). ويقال عن الدورة الديناميكية الحرارية أنها دورة عكسية إذا كانت جميع عملياتها عكسية، ومعنى ذلك أنه يمكن عكس العمليات جميعها وبالتالي عكس الدورة بأكملها .
    مراحل دورة كارنو الحرارية الانعكاسية الأربعة :                             

    دورة كارنو الانعكاسية

    1- يمتص الغاز  كمية حرارة q من المستودع الساخن ، فيقوم الغاز ببذل شغل لدفع المكبس. وتكون هذه العملية تحت درجة حرارة ثابتة Th أي أنها ( تمدد إيزوثيرمي) 

    2- يتمدد الغاز  أديباتيكيا (اى وهو معزولا حراريا) يكون المكبس في هذه الحالة غير متصل بأي مستودع حراري و  يبذل الغاز شغلا لدفع المكبس ، ينتج عنه انخفاض في درجة الحرارة . 

    3- انطلاق كمية  من الحرارة يتصل المكبس في  هذه الحالة مع المستودع البارد  و يضغط الغاز عند درجة حرارة  منخفضة وثابتة ( انكماش إيزوثيرمي ) وهنا يبذل المكبس شغل على  الغاز 
    

    4- انكماش اديباتيكي  للغاز حيث يكون المكبس في هذه الحالة غير متصل بأي مستودع حراري ( أي أنه معزول ) و يبذل المكبس شغلا على الغاز ، ينتج عنها ارتفاع في درجة الحرارة . 

    د/ هناء ابو المجد

    حساب الشغل المبذول فى كل مرحلة

    PV = nRT              P = (nRT) / V

    W = ∫PdV = ∫(nRT / V) dV  = nRT ∫(dV)lV

    = nRT ln (V2 l V1 )

    1- q = W = n RTh ln (VB/VA)      تمدد ايزوثرمى          لاحظ ان     W = + ،  q = +

    2-  W = n RTh ln (VC/VB)          تمدد  اديباتيكى           لاحظ ان    W = + ،  q = 0

    3- q = W = nRTc ln (VD/VC)      انكماش ايزوثرمى       لاحظ ان    W = - ،  q = -

    4- W = nRTc ln (VA/VD)             انكماش اديباتيكى        لاحظ ان    W = - ،  q = 0 

    د/ هناء ابو المجد
          كفاءة آلة كارنو = صافي الشغل المبذول / كمية الحرارة الممتصة  =  2 W / q

    و حيث ان W = q2 – q1         اذن   كفائة الة كارنو = (q2-q1) / q2 = ( 1- (q2/q1

    وقد وجد أن كفاءة آلة كارنو تعتمد على درجة حرارة كل من المستودعين و بالتالى يمكن حسابها من

          كفاءة آلة كارنو = ( 1- (Th/Tc

    الخلاصة : آلة كارنو:هي آلة مثالية (لا وجود لها)، ومادة تشغيلها غاز مثالي ، تعمل بين مستودعي حرارة ، وتشكل الحدّ الأعلى لفاعلية الآلات الحرارية كلها ، وتقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ، من خلال قيام المادة بدورة كاملة تمتص فيها الحرارة من المستودع الساخن ، وتفقد حرارة إلى المستودع البارد. 
    تنبيه وتأكيد : آلة كارنو الحرارية ليست وصفا لتركيب آلة حرارية محددة ، بل وصفا لعمليات دورة حرارية ، لو تمت – هذه العمليات – في أي آلة حرارية لأعطت أعلى كفاءة ممكنة.

    أهمية آلة كارنو : 1 – تعميق فهم الآلات الحرارية عمليا ونظريا .

                         2 – تساعد في تحديد كيفية زيادة فعالية الآلات الحرارية .

    مثال 1: الة حرارية تمتص كمية من الحرارة قدرها 5 KJ وتطرد منها كمية قدرها 2 kJ  إحسبى

    مردود (كفائة) الالة وكذلك الشغل المبذول 

    مثال 2: إحسبى الشغل الناتج من محرك كفاءته (%30) ويمتص كمية من الحرارة قدرها  700 J 

    د/ هناء ابو المجد

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق