الثلاثاء، 1 نوفمبر، 2016

المكائن وآلات الزراعية

محاضرات الكيمياء الفيزيائية لطلبة الصف الأول / قسم المكائن وآلات الزراعية  

المحاضرة الأولى 
الديناميكا الحرارية الكيميائية 
Chemical Thermodynamic 
         المقدمة:
                  تعنى بدراسة جريان الحرارة , ولما كانت الحرارة هي نوع من انواع الطاقة فان هناك انواع كثيرة من الطاقة مثل (الطاقة الحرارية, الطاقة الكهربائية, الطاقة الميكانيكية, الطاقة المغناطيسية, الطاقة الحركية, طاقة الشد السطحي) وتحت ظروف معينة يمكن لهذه الانواع من الطاقة ان تتحول الى بعضها البعض. فالديناميكا الحرارية تبحث في تحول الطاقات المختلفة من شكل الى اخر وطرق الوصول والاستفادة من هذا التحول ,والبحث عن العلاقة بين هذه الانواع المختلفة من الطاقات .كما تهتم بانتقال الحرارة وكذلك الشغل المصاحب لبعض العمليات الكيميائية والفيزيائية.
                 يتكون مصطلح Thermodynamic من مقطعين هما كلمة Thermo اي الحرارة وكلمة ديناميك Dynamic اي المتحرك وبالتالي هذا المصطلح يعني الحرارة المتحركة والتي تتحول من شكل الى اخر. إذن الثيرمودايناميك هو علم يهتم بدراسة الطاقة وتحولاتها ويهدف نحو تحويل اكبر مقدار من الطاقة الحرارية الناتجة من احتراق الوقود الى طاقة ميكانيكية بمعنى اخر ((تحسين كفاءة المحرك)) , وبٌنيّ هذا العلم على اساس التجربة الانسانية , بان الطاقة موجودة ولا يمكن خلقها او فنائها ,من هذه الحقيقة امكن استنباط علاقات رياضية مختلفة بين خواص المواد المختلفة التي تمتص الحرارة. وتعتبر الديناميكيا الحرارية فرع من فروع الكيمياء الفيزيائية المهمة والذي يمكن بواسطته دراسة (بشكل نظري) امكانية حدوث تفاعل كيميائي من عدمه , اي دون اجراء التجربة العملية ويمكن من خلالها ان نقرر ما اذا كانت مادتان كيميائيتان تتفاعلان تلقائيا ام لا , مما يوفر الكثير من الوقت والجهد والكلفة. ومن خصائصها:-

        (1) تبحث في خواص النظام في حالة التوازن.
        (2) يمكن معرفة مدي استمرار التفاعل الكيميائي قبل الوصول الى حالة التوازن.
        (3) قوانين الثيرموداينمك الثلاث لا تعتمد على اي نظرية او نموذج خاصة بالتركيب (الذري او الجزيئي) او بطبيعة المادة.
        (4) الثيرمودايناميكا تتعلق بالحالة الابتدائية والنهائية للنظام ولا تعتمد على الحالات الوسطية للوصول الى حالة التوازن النهائية. وان اي تطور يحدث في الافكار والنظريات الحالية الخاصة بطبيعة الجزيئات لن يؤثر باي طريقة على صحة اي نتيجة ديناميكية .
        مميزات الثيرموداينمك واجابته على تساؤلات مهمة:-
        لماذا يحدث التفاعل الكيميائي؟
        لماذا تحدث بعض التفاعلات تلقائيا حتى اكتمالها, والبعض الاخر تتم جزئيا وتفاعلات اخرى لا تحدث ابدا عند نفس الظروف ؟
        ماهي تغيرات الطاقة المصاحبة للتفاعلات الكيميائية سوآءا في التفاعلات نفسها او في الوسط المحيط بها؟
        علم الديناميكيا لا يهتم بعامل الزمن في التفاعلات, فهو ينبئ فقط فيما اذا كان تغير كيميائي معين (او بصورة عامة تغير ما ) قابل للحدوث او لا. دون تبيان سرعة الحدوث لهذا التغير فربما يكون التفاعل تلقائيا ويحدث ببطء شديد كصدأ الحديد مثلا وبعضها يحتاج الى حث بسيط لحدوثها كاحتراق الاوكسجين مع الهيدروجين بوجود شرارة وقود. ومن صفات التفاعلات التلقائية انها غير انعكاسية حيث لا يتفكك الماء بعد تكوينه. في الحقيقة فإن علم الديناميكا الحرارية لا یعطینا أية معلومات كذلك عن میكانیكیة التفاعلات التلقائية، وتجیب عن مثل ھذه التساؤلات دراسة حركية التفاعلات (الحركية الكیمیائیة)، فهناك بعض التغيرات التلقائية التي تحدث ببطء شديد، فنجد أن الصورة التأصلیة الثابتة لعنصر الكربون عند الظروف العادية ھي الجرافيت ولیس الألماس، والتحول من الألماس الى الجرافيت ھي عملية تلقائية من الوجهة الدینامیكیة الحرارية، وھذا التحول من البطء بمكان بحیث لایمكن أن یلاحظ عند درجات الحرارة والضغوط العادية ویحتاج الى ملایین السنین.

تعاريف أساسية   Basic Definitions 


النظام الثيرموديناميكي وأنواعه     

             Thermodynamic System and its Types

        النظام الثیرمودینامیكي عبارة عن جزء معین من الكون یتكون من المادة أو المواد المشتركة في التغيرات الكیمیائیة  والفیزیائیة معزولة بحدود معینة قد تكون هذه الحدود حقيقية أو تخیلیة وذلك من أجل دراسة تأثير المتغيرات المختلفة على محتويات النظام. ویسمى كل ما تبقى خارج حدود النظام بالمحيط .(surroundings).. كما یتضح من
        الشكل (1). النظام كل شيء داخل الحدود (المادة الغازية، السائلة، الصلبة ) أما المحيط فھو كل شيء خارجها . وتمثل جدران الحاوي للنظام الحدود الفاصلة ببن النظام والمحيط.

        اما في شكل. (2):في  الديناميكا الحرارية (العالم مقسوم الى (نظامsystem ) (الشيء المهم), (والمحيط (Surrounding(كل شيء ماعدا النظام) المحيط في الكيمياء (العملي ) مثلا يمثل (درجة حرارة ثابتة) او (حمام مائي) الخ....الاسهم تمثل الطاقة التي تتحول (تنتقل) بين النظام ومحيطة. وقد توجد علاقة بین النظام والوسط المحيط به ، حیث یؤثر كل منھما في الآخر . وبما أن أي نظام لا یخلو من كونه مادة وطاقة، فإنه  یمكن أن یحدث تأثرا متبادل بین النظام و المحيط، من خلال المادة أو الطاقة أو كلیھما.

أصناف الأنظمة
  System's Types 


        یمكن تقسیم النظام الى ثلاثة أنواع، وھي :- (١) نظام مفتوح ( ٢) نظام مغلق ( ٣) نظام معزول.
        (١) النظام المفتوح (Open System ) ویكون النظام مفتوحاً إذا كان تبادل المادة والطاقة مع الوسط المحیط به. ویمثل ذلك النظام بإناء یحتوي على ماء یغلي، فإنه یلاحظ أن مادة النظام، وھي الماء، تتصاعد على ھیئة بخار ینتقل الى الوسط المحیط من حولة، كما أن حرارة الماء (طاقته) تتسرب الى الوسط المحیط. ویقال أن ھذا النظام قد بادل كلاً من مادته وطاقته مع الوسط المحیط به. ومن أمثلة ھذا النظام جمیع التفاعلات الكیمیائیة التي تتم في المعمل او المختبر، وتجرى في آنية مفتوحة كما في الشكل (a).
        (٢) النظام المغلق (Closed System ) ویكون النظام مغلقاً إذا كانت حدود النظام تسمح بتبادل الطاقة فقط على شكل حرارة وشغل مع المحیط بشرط أن لا تتغیر كمیة المادة في النظام. ویمثل ذلك النظام بماء یغلي موضوع في إناء مغلق بإحكام، ففي ھذه الحالة یلاحظ أن حرارة الماء تتسرب الى الوسط (المحيط)، بینما الماء (وھو مادة النظام) لا تنتقل الى الوسط المحيط. ويقال إن ھذا النظام قد بادل طاقته فقط، دون مادته مع الوسط المحیط. ومن أمثلة ھذا النظام أيضا، جميع التفاعلات الكیمیائیة التي تتم في المعمل، وتجرى في آنية مغلقة ذات جدار موصل للحرارة كما في الشكل (b).
        (٣) النظام المعزول Isolated System)) ویكون النظام معزولاً إذا كانت حدود النظام لا تسمح بتبادل المادة والطاقة مع المحيط أي أن النظام لا یتأثر أبداً بالمحيط.وبمثل ھذا النظام بالترمس،حیث أنه یحفظ حرارة النظام ومادته من التسرب الى الوسط المحیط كما في الشكل (c).

(شكل 3) : تمثيل أنواع الأنظمة الثلاثة بواسطة ماء في إناء 
(a)نظام مفتوح , (b)نظام مغلق ,      (c)نظام معزول

تقسم  الانظمة الواحدة الى ثلاث طبقا لتداخلاتها مع المحيط نظام مفتوح يستطيع يبادل المادة والطاقة مع المحيط .نظام مغلق يستطيع يبادل الطاقة وليس المادة. النظام المعزول لا يستطيع تبادل المادة ولا الطاقة. 
ومن الجدیر بالذكر الإشارة الى أن تبادل الطاقة بین النظام والوسط (المحيط( يمكن أن یحدث على صورتان وھما الحرارة والشغل, شكل (4) 

شكل (5):عند حرق كالسيوم كاربونيت (CaCO3) يتكون غاز( CO2) يعمل على دفع الجو المحيط بة ينتج شغل ضد المحيط يبعد طبقة الهواء المحيط به فيكون التغير بالطاقة الداخلية اقل من الطاقة المجهزة بالحرق. 


        كما أن قوانین الدینامیكا الحراریة ذات طبیعة عامة، وتنطبق في جمیع الحالات، ولیست محدودة على حالات التوازن بالذات.

حالة النظام وتوابع الحالة
State of the 
System and State Functions 
           الحالة: في علم الثیرمودینامیك تعني الكمیات التي یمكن قیاسھا (المتغیرات الثیرمودینامیكیة) أو توابع الحالة (مثل الحجم والضغط ودرجة الحرارة والمكونات). وقد سمیت بذلك لأنھا تساھم في تحدید الحالة الفیزیائیة لنظام معین. وقیمتھا في أي حالة من الحالات لا تعتمد على تاریخ العینة السابقة. فعلى سبیل المثال : لا یعتمد حجم مول واحد من الماء عند درجة حرارة ( 25°C ) وضغط (  1 atm) على قیم درجة حرارته أو ضغطه في فترة زمنیة سابقة. أضف الى ذلك أنه حین ننتقل من حالة الى أخرى فإن التغییرات في قیم (T, V, P) لا تعتمد على كیفیة معالجة العینة. فإذا تم تغییر درجة الحرارة لعینة من الماء من 25°C  الى 35 °C فلا فرق فیما إذا تم تبرید العینة الى 35 °C أو تم تسخینھا مباشرة من 0 °C  الى  35 °C فدرجة الحرارة في الحالة النھائیة ھي نفسھا بغض النظر عن الطریق التي سلكت بین الظرفین (الحالتین) الأولي والنھائي، ولذلك فإن التغییر في درجة الحرارة یعتمد فقط على درجتي حرارة الحالتین الأولیة والنھائیة. (I,f)

        مثال توضيحي  إذا كان لدینا نظام غازي متجانس (homogeneous) یتكون من مادة واحدة فإن مكوناتة بالطبع ثابتة ومن ثم فإن حالة النظام تعتمد على (الضغط والحجم ودرجة الحرارة فقط.) وإذا كانت جمیع ھذه الكمیات ثابتة فإن جمیع الخواص الفیزیائیة الأخرى مثل الكتلة والكثافة واللزوجة. ...(viscosity) یجب أن تكون ثابتة.
        

معادلات الحالة   
     Equation of states 

ھناك بعض الأمثلة التي یمكن التعبیر فیھا عن العلاقات البینیة بین دالات الحالة P,T.V)) بواسطة معادلة تسمى معادلة الحالة Equation of state وبالتالي فمعادلة الحالة ھي علاقات ریاضیة لحساب المتغیرات الثیرمودینامیكیة (T, V, P) مثالها معادلة الحالة للغاز المثالي حیث تكون فیھا العلاقة بین الضغط والحجم وكمیة الغاز ودرجة الحرارة كما یلي:     PV = nRT ) )

(كلفن)K)  ) درجة الحرارة المطلقة   (T)عدد المولات n) ) , الحجم  V) ،(atm )( الضغط  P))

Rثابت الغازات العام: ( )L . atm/ mol . K0.0821  )

        ملحوظة:
        مقدار التغیر في توابع الحالة لا یعتمد على المسار الذي یسلكه النظام عندما یتغیر من حالة الى أخرى وإنما یعتمد على الحالة الابتدائية والنھائیة للنظام.
        مثال توضيحي: الحجم الإبتدائي لغاز یساوي (Vi = 1 L) ثم تمدد ليصبح (Vf = 3 L) فإن التغير في الحجم :كما يأتي (لاحظ شكل 6)
        ΔV = Vf - Vi       ΔV= 3 - 1 = 2 L




                                                                             الشكل (6)

        الحجم النھائي ھو3L)) بغض النظر عن الطریقة التي اتبعت لإحداث ھذا التغیر تم الإتفاق على أن تكون رموز توابع الحالة بحروف كبیرة مثل (G) -: الطاقة الحرة ، (S) الأنتروبي ،(U)  الطاقة الداخلیة ،(H)  الإنثالبي.

المحاضرة الثانية 
خواص النظام الفيزيائية                                                   Physical Properties of the System 


        الخواص الماكروسكوبية والميكروسكوبية            Macroscopic and Microscopic Properties
        تعتمد الخواص الماكروسكوبیة للنظام على التركیب الخارجي لمحتویات النظام، بینما تعتمد الخواص المیكروسكوبیة على التركیب الداخلي للذرات والجزیئات المكونة للنظام.
        الخواص الماكروسكوبية:وتقسم الخواص الماكروسكوبیة الى قسمین وھما    :-
        (أ) خواص شاملة (خواص خارجية( Extensive Properties) خواص انتشارية وھي تشمل جمیع الخواص التي تعتمد على كمیة المادة أو المواد الموجودة في النظام مثل :- الكتلة، الحجم، السعة الحراریة، الطاقة الداخلیة، الأنتروبي، الطاقة الحرة، مساحة السطح، ...) وكلھا خواص تعتمد على مقدار المادة الموجودة في النظام.)
        (ب) خواص مركزة (خواص داخلية ( Intensive Propertiesخواص مستقلة تشمل جمیع الخواص التي لا تعتمد على كمیة المادة الموجودة في النظام مثل :- الضغط ، درجة الحرارة، الكثافة، اللزوجة، الحرارة النوعیة، التوتر السطحي.

جدول (1) بعض الخواص الشاملة والمركزة(خواص داخلية (لا تعتمد على كمية المادة                ((Intensive Properties وخواص خارجية تعتمد على كمية المادة   ( (Extensive Properties

عمليات الديناميكا الحرارية                             Thermodyamic Processnes 
           عندما یتحول نظام دینامیكي حراري من حالة الى أخرى، فإنه یطلق على ذلك التحول اسم عملیة .(Process) وفي الحقیقة فإن العملیات التي تتم یصاحبھا تغیر في بعض خواص الأنظمة الخاضعة للتغیر، مثل : الحجم والضغط ودرجة الحرارة.
        وبناءً على ھذه التغیرات یمكن تقسیم عملیات الدینامیكا الحراریة الى :
        (1)عملیة أیزوثیرمالیة          Isothermal process
                 وھي تلك العملیة التي تتم بینما تكون درجة الحرارة للنظام ثابتة دون تغیر.ویمكن تحقیق ذلك عن طریق وضع النظام في حمام مائي ذي درجة حرارة ثابتة في حالة العملیة الأیزوثیرمیة  (dT =0).
        (2) عملیة أدیاباتیكیة       Adiabatic process
                 وھي تلك العملیة التي تتم دون انتقال للحرارة من المحيط الى النظام أو من النظام الى المحیط ، ویمكن الوصول إلى ذلك بوضع النظام في إناء معزول ((Insulated container) في حالة العملية الأدیاباتیكیة   dq = 0)

عمليات الديناميكا الحرارية                             Thermodyamic Proceses 
         (3) عملية أیزوباركیة          Isobaric process
               وھي تلك العملیة التي تتم عند ثبوت الضغط. ومن أمثلتھا جمیع العملیات التي تتم في آنیة مفتوحة، والتي تكون معرضة للضغط الجوي في حالة العملیة الأیزوباركیة. (dp =0  
        (4) عملیة أیزوكوریة       Isochoric process 
               وھي تلك العملیة التي تتم عند ثبوت الحجم. ومن أمثلتھا العملیات التي تتم دون حدوث شغل أو تمدد. وھكذا، فإن( dv =0)  في حالة العملیة الأیزوكوریة.
        (5)) عملیة مغلقة (دائریة Cyclic process       
              ھي العملیة التي یمر فیھا النظام بعدد من التغیرات )العملیات(، ثم یعود أخیراً الى حالته : الإبتدائیة مرة أخرى. وبالنسبة للعملیة المغلقة (dE = 0, dH = 0)   (cyclic process)       حیثdE  ھي التغیر في الطاقة الداخلیة ، في حین dH  هي التغیر في الإنثالبي .

العمليات العكسية وغير العكسية                                                          Reversible and Irreversible

          تعرف العملية العكسية reversible process) )بأنھا تلك العملیة التي تتم ببطء متناه في الصغر، والتي یمكن عكس اتجاھھا عند أي لحظة، بتغییر متناه في الصغر في حالة النظام، أو ھي العملیة التي یمكن عكسھا عند الطلب بإحداث تغیرات متناھیة في الصغر في درجة الحرارة أو الضغط أو أیة متغیرات أخرى.
        وتعرف العملیة غیر العكسیة (irreversible process) بأنھا تلك العملیة، التي تمرمن الحالة الإبتدائیة الى الحالة النھائیة في خطوة واحدة، ولا یمكن أن تسیر في الاتجاه العكسي، أو ھي العملیة التي لا یمكن عكسھا عند الطلب بإحداث تغیرات متناھیة في الصغر في أي من متغیرات الحالة للنظام.

الطاقة الداخلية                                                                                 Internal Energy (E) 


(سؤال): ھل یمكن قیاس الطاقة الداخلیةE)  ) المطلقة للنظام عند حالة معینة؟

(جواب): لا یمكن ذلك لأن الطاقة الموجودة في النظام متعددة ,طاقة روابط، الطاقة الحركیة للجزیئات، طاقة تجاذب بین الإلكترونات والبروتونات، طاقة التجاذب بین الجزیئات... ،وكذلك لعدم معرفتنا بسرعة حركة جزیئات النظام، وكذلك لعدم معرفتنا بقوى التجاذب بین الجزیئات على النظام.

 ولكن غالباً تقاس ( EΔ ) . عندما يتغيرالنظام من حالة الى أخرى:         EΔ = E2 - E1

EΔ :التغير في الطاقة الداخلیة للنظام :

        وتھتم الدینامیكا الحراریة فقط بدراسة التغیرات في الطاقة الداخلیة المصاحبة للتفاعلات والتغیرات الكیمیائیة والتي یمكن قیاسھا. وكما ھو معروف فإن التفاعلات أو التغیرات الكیمیائیة یصاحبھا كسر للروابط وإعادة ترتیب للذرات (ینتج عنھا تكوین مركبات جدیدة وھي المواد الناتجة) مما یؤدي الى تغیر في الطاقة الداخلیة (المواد الناتجة تكون لھا طاقة داخلية  تختلف عن طاقة المواد الأصلية.
        (سؤال): الى ماذا یعزى )ما سبب(  تغیر الطاقة الداخلیة لنظام ما؟
        (جواب): یعزى الى تغیر نوع واحد أو أكثر من أشكال الطاقة المختلفة التي) تكون الطاقة الداخلیة للنظام.( وتتغیر الطاقة لأي مجموعة إذا بذلت شغلاً أو بذل علیھا شغل، أو إذا امتصت أو أطلقت حرارة
        (سؤال): الى ماذا یؤدي زیادة الطاقة الداخلیة لنظام ما؟
        (جواب): یمكن أن یؤدي الى  :-(1)ارتفاع درجة حرارة النظام ·(2)تغیر طور المادة المكونة للنظام كحدوث الذوبان أو التبخر ·(3)أو أن یحدث تفاعل كیمیائي في الأنظمة الكیمیائیة إذا كانت الزیادة في الطاقة الداخلیة كافیة لكسر الروابط الكیمیائیة وتسمح بتكوین روابط جدیدة.
        (سؤال): الى ماذا یؤدي انخفاض الطاقة الداخلیة لنظام ما؟
        (جواب) انخفاض الطاقة الداخلیة یمكن أن یؤدي الى :- (1) انخفاض درجة الحرارة للنظام ·(2)أو تغیر في الطور كحدوث تجمد أو تكثف. ·
        (سؤال) ماذا یعني أن الطاقة الداخلیة تابعة لحالة النظام؟
        (جواب)  أي أنھا تعتمد على الحالة الإبتدائیة والحالة النھائیة للنظام ولا تعتمد على المسارالذي یسلكه النظام.

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق