الثلاثاء، 1 نوفمبر، 2016

دالة الحالة


دالة الحالة                  
   Function of State 
           ھي تلك الخاصیة أو الكمیة التي تعتمد فقط على الحالة الإبتدائیة قبل التغیر، والحالة النھائیة بعد التغیر، بغض النظر عن الطریق أو المسار الذي تم من خلاله التغیر. ومن أمثلتھا الطاقة الداخلیة(.(Eوالمحتوى الحراري الإنثالبي (H) . أما الكمیات" q") و"w")كمية  الحرارة والشغل ) فإن قیمتھا تتغیركثيرأ بتغيرظروف التجربة وبالتالي فھي لا تعتبر( "دالة حالة أو الإبتدائیة والحالة النھائیة فقط.

  الشغل :                                                                Work

        (تابع حالة( " حیث أنھا تعتمد على المسار والخطوات التي تم من خلالھا التغیر، ولا تعتمد على الحالة)
        ( سؤال) عرف الشغل المیكانیكي (mechanical work)
        (جواب) ھو حاصل ضرب القوة في الإزاحة ویرمز له بالحرف (w).
        حیث القوة(F)force) ) و( L) المسافة (الازاحة) اذن الشغل يساوي القوة X تغير المسافة                      (w = FΔL)
                   ولكن معناه في علم الثیرمودینامیك أوسع من ذلك حیث یشتمل على الشغل المیكانیكي المبذول ضد الجاذبیة الأرضیة والشغل الكھربي (Electrical work) .الشغل التمددي(Expantion work) والشغل الانكماشي(compression work) وغيرها
        سنركز على الشغل الناتج عن التغير في  حجم كمية معينة من الغاز تحت ظروف معينة. كما موضح بالشكل (7).



فعند تمدد الغاز فإنة یدفع المكبس الى أعلى ضد ضغط مضاد( p) معاكس لا تجاه التغیر مثلا (الضغط الجويExternal pressure       (منجزاً شغلاً ضد المحیط.)

        وبما أن الضغط یعرف بأنة القوة المسلطة على وحدة المساحات P=F/A فإنF=P/A
        وبما أن    الشغل = w = F ΔL القوة في الازاحة .نعوض قيمة (F )=  P/A  في معادلة الشغل
        w = F ΔL نحصل على الشغل المنجز (w = P* A*Δ L) ونتيجة للتمدد وحیث أن المكبس ینزاح باتجاه معاكس لا تجاه القوة فإن التغیر في الحجم (ΔV) يساوي حاصل مساحة المقطع (A) في الزاحة (ΔL ) مسبوقة بإشارة سالبة  Δv = - A* ΔL
        w = P* A*Δ L .. (1)     و. Δv = - A* ΔL  (2)          ومن المعادلتين السابقتين نحصل على ان الشغل: :
        كالآتي : w = - PΔV ویمكن كتابة المعادلة w = - P (Vf – Vi)
        حیث:الحجم الإبتدائي للغاز.Vi
        الحجم النھائي للغاز. : Vf
        والإشارة السالبة تدل على أن طاقة النظام تنخفض عندما یزداد الحجم أي أن النظام یعمل (شغل على المحیط.)
        وإذا كانت قیمة(P ) كمیة موجبة (+) فإن الشغل یعطى حسب العلاقة (w = - PΔv )  
        ١)- إذا كانت قیمة الضغط المضاد أو الخارجي ( P )أصغر من ضغط الغاز فإن الغاز یتمدد. ضد المحیط وتكون (V2>V1) وبالتالي فإن ΔV موجبة وبذلك تكون قیمة الشغل(w) سالبة اى أن النظام أنجز شغلاً على المحیط (النظام فقد طاقة كشغل)
        ٢)- إذا كان ضغط المحيط أكبر من ضغط الغاز فإن الغاز ینكمش وفي ھذه الحالة یكونالضغط المضاد ھو ضغط الغاز نفسة لأنة یعاكس اتجاه التغیر(V2<V1) وبالتالي فإن(ΔV) تصبح سالبة وتكون قیمة الشغل((w)) موجبة.أي أن المحیط یعمل شغلاً على النظام)تزداد طاقة النظام بسبب الشغل الذي بذل علیة(.
        ) وبالتالي فإن الضغط (p) ھو الذي یحدد مسار العملیة، مما یعني أن الشغل لیس تابعاً) للحالة.
        س) علل : الشغل لیس تابع للحالة؟     ج) لأن الشغل یعتمد على الضغط( .
القانون الأول في الثيرموديناميك "قانون حفظ (بقاء) الطاقة                               "

First Law of Thermodynamics

        القانون الأول في الثیرمودینامیك مرادف لقانون حفظ الطاقة، وینص على أن :
                "الطاقة لا تفنى ولا تستحدث (تخلق من عدم) ولكن یمكن فقط نقلھا من مكان الى آخرأو تحویلھا من شكل الى آخر أثناء التفاعلات أو التغیرات الكیمیائیة "بمعنى أن طاقة النظام المعزول عن محیطة تظل ثابتة. وبالتالي یمكن صیاغة القانون الأول للدینامیكا الحراریة  كما یلي "الطاقة الكلیة لنظام معزول تظل ثابتة ویمكن تحول الطاقة من صورة الى أخرى".وھذا یعني أن مجموع كل أنواع الطاقات ثابت في أي مجموعة معزولة، ومن ذلك یأتيالقول المعروف والقائل بأن طاقة الكون ثابتة، على أساس أن الكون یعتبر نظاماً معزولاً.  أكبر الأثر في دعم ھذا – كان للتجارب التي أجراھا جیمس جول ، حیث أثبت بتجاربة أن الحرارة والشغل المیكانیكي ھما وجھان لعملة واحدة وھي الطاقة، وأنة یمكن تحویل صور الطاقة الى بعضھا البعض، وأن الطاقة لا تفنى.والتجارب التي تثبت أن الطاقة لا تفنى ولا تخلق من عدم، ولكنھا تتحول من صورة الى اخرى كثیرة، ومنھا : عند بذل قدر من الطاقة في ضغط لولب من الصلب، ثم إذابتة وھومضغوط في حامض، فقد یبدو أن الطاقة التي بذلت في ضغط اللولب قد فقدت، ولكن في الحقیقة إنھا اختزلت باللولب، ویؤكد ذلك أن كمیة الحرارة التي تنتج من ذوبان اللولب المضغوط، تكون أكبر من تلك التي تنتج عن ذوبان اللولب نفسة وھو غیر مضغوط.والفرق بین القیمتین یساوي مقدار الشغل المبذول في ضغط اللولب (في ھذه الحالة نجدأن الشغل قد تحول الى حرارة).ویعبر عن القانون الأول ریاضیاً :
        ΔE = q + w

حیث : 

ΔE مقدار التغیر في الطاقة الداخلیة للنظام. q كمیة الحرارة الممتصة أو المنبعثة بواسطة النظام. W الشغل المبذول على أو بواسطة النظام.

ملحوظة :بعض المراجع تكتب القانون الأول في الثیرمودینامیك ریاضیاً على الصورة :

ΔE = q + w

: بدلاً من الصورة

ΔE = q - w

وكلاهما صحیح لأن كلاً منھم أعطى الشغل المبذول على النظام أو المبذول بواسطة  النظام إشارة مخالفة :



ΔE = q - w

: - ففي القانون فإن الشغل المبذول بواسطة النظام تكون إشارتھم موجبة،

أما إذا كان الشغل مبذولاً على النظام تكون إشارته سالبة.

وفي مسائلنا الحسابية سنعتمد العلاقة:

ΔE = q + w

        س) كیف یمكن للطاقة أن تنقل الى نظام ما؟
        ج) یمكن للطاقة أن تنقل الى نظام ما بطريقتين أساسيتين مختلفتين :
        ١) أن یسمح للحرارة أن تنتقل داخل النظام. ٢) أن یعمل شغل على النظام.
        التوضيح :
        ١) إذا كان لدینا نظام یتبادل الطاقة مع محیطة على شكل شغل أو طاقة حراریة، وطاقتة الداخلیة الإبتدائیة تساوي(Ei)
        وسمحنا لكمیة من الطاقة أن تنتقل الى النظام على ، شكل حرارة(q)فإن الطاقة الداخلیة للنظام تصبح :
        Ei + q
        فإن طاقتة الداخلیة عند الحالة النھائیة تكون W ٢) إذا سمح أن تنتقل كمیة من الطاقة الى النظام على شكل شغل
        Ef = Ei + q + w
        والتي یمكن صیاغتھا بالصورةھي الصیغة الریاضیة المناسبة للقانون الأول للثیرمودینامیك حیث تبین تغیر الطاقةالداخلیة المرافقة لتبادل الشغل والحرارة بین النظام والمحیط
        ΔE = q - PΔV

جدول ( ٣) : ملخص لإشارة الشغل وكمیة الحرارة

(سؤال)

هل (w,q) تابعين للحالة؟

ج:- لیسا تابعین للحالة لأن كلاً منھما یعتمد على الطریق

 الذي  یحدث خلالة التغیر، لذلك رمزنا لھما بحروف صغیرة

(q)وكمیة الحرارة (w)

        )تابعة للحالة؟ΔE) س) ھل
        ج) نعم، لأنھا تعتمد فقط على الحالة الإبتدائیة والحالة النھائیة للنظام.
        الحالات الخاصة للمعادلة العامة
        ΔE = q - PΔV

: ملخص للعلاقات الریاضیة للقانون الأول عند ظروف مختلفة


ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق