انت هنا الان : شبكة جامعة بابل > موقع الكلية > نظام التعليم الالكتروني > مشاهدة المحاضرة

المفاهيم الاساسية في الثرموداينميك

Share |
الكلية كلية التربية للعلوم الصرفة     القسم قسم الفيزياء     المرحلة 3
أستاذ المادة شروق صباح عبد العباس المرشدي       22/03/2021 16:42:57
المفاهيم الأساسية في الثرموداينمك
1 -الكيان: هو أي جزء في الكون له حدود معلومة ويخضع للرصد والدراسة وينقسم الى قسمين
كيان حقيقي وكيان مثالي.
1 -الكيان الحقيقي: هو أي كيان طبيعي يستخدم في التجربة او للأغراض العلمية الاخرى
مثلا أي كمية من المادة )صلبة او سائلة او غازيه( تعرف بالكيان الحقيقي وكذلك السائل في
المسعر والغاز او البخار المحصور في أسطوانة مغلقة وكذلك القطعة الصلبة كالجليد او
الحديد يمكن اعتبارها كيان حقيقي، الكرة الأرضية وغلافها الجوي هي كيان حقيقي.
2 -الكيان المثالي: هو أي كيان نظري نتعامل معه في الورقة والقلم لغرض تسهيل المسائل
الثروموداينميكية ، ان مثل هذا الكيان غير موجود في الطبيعة مثلا الغاز المثالي.
2 - حدود الكيان
هو الغلاف الذي يحتوي الكيان ويفصله عن محيطه الخارجي. ان حدود الكيان قد تكون حقيقية
او وهمية فالسطح الداخلي لقنينة الغاز يمثل حدود حقيقية للغاز المضغوط اما الحدود التي
نتصورها تحيط بكتلة من الدخان المتحرك في الجو تعتبر حدود وهمية. وليس من الضروري ان
تكون حدود الكيان ثابتة في الشكل والحجم فالكيان قد يتمدد او يتقلص إذا تغيرت بعض خواصه
من الضغط ودرجة الحرارة.
3 -المحيط او الوسط الخارجي
هو كل ما يقع خارج حدود الكيان من مادة وفضاء وقد يتفاعل الكيان مع محيطه أو لا ونقصد
بالتفاعل هو تبادل الكتلة والطاقة عبر الحدود.
4 - الكيان المفتوح
هو الكيان الذي يسمح بتبادل الكتلة والطاقة مع المحيط وعلية فان مثل هذا الكيان تكون كتلته غير
ثابتة دائما مثلا الماء في الغلاية يمتص الطاقة الحرارية ويفقد جزءا من كتلته من خلال التبخر
وكذلك الصاروخ الطائر تقل كتلته نتيجة تخلصه من فضلات احتراق الوقود.
-5 الكيان المغلق
هو الكيان الذي تبقى كتلته ثابتة دائما ان مثل هذا الكيان له حدود لا تسمح باجتياز الكتلة بل بتبادل
الحرارة والشغل )الطاقة( ما بين الكيان ومحيطه ومثال على ذلك الغاز المحصور في المحرار
الغازي او الزئبق الموجود في المحرار.
6 -الكيان المعزول
هو الكيان الذي لا يسمح بتبادل الكتلة والطاقة مع المحيط. أي له حدود عازلة لا تسمح بتبادل
الطاقة باي شكل من الاشكال ويمكن اعتبار الكون مثال على هذا الكيان
7 -الجدار الادباتيكي
هو الجدار الذي لا يسمح بنفوذ الحرارة من خلاله فالكيان المعزول يمثل هذا الجدار لا يسمح
بدخول او خروج الحرارة منه واليه.
8 -الجدار الداياثرمي او الجدار الموصل
هو الجدار الذي يسمح بنفوذ الحرارة من خلاله حيث تكون الحرارة على جانبيه واحدة دائما .
9 - الكون
هو مجموع الكيان والمحيط معا .
10 -التوازن الحراري
اذا كان لنظام ما احداثياته الثرموداينمكية p,v ,T وبقية هذه الاحداثيات ثابته ما دامت الظروف
الخارجية ثابته فان النظام يكون في حالة توازن حراري وان حدوث التوازن يعتمد على
? الأنظمة الخارجية او المجاورة.
? طبيعة الجدران ما بين الكيان والمحيط فاذا كانت هذه الجدران عازلة للحرارة تسمى
جدران ادباتكية واذا كانت هذه الجدران موصلة للحرارة تسمى جدران داياثرمية .
11 - التوازن الثرموداينمكي او التوازن الحراري الديناميكي
يقال ان الكيان متوازن ثرموداينمكيا عندما يكون متوازنا حراريا و ميكانيكيا وكيميائيا، فلو كان
لدينا كيان معزول )غير متوازن( فان خواصه مثل الضغط، درجة الحرارة ، الكثافة تميل للتغير
مع الزمن كما انها تتغير من جزء الى اخر وبعد مرور فترة زمنية كافية تستقر خواص الكيان
على قيم ثابتة ويصبح الكيان متوازن ، وخلال الفترة الزمنية التي تسبق الاستقرار
نلاحظ ما يلي
1 -إذا كانت أجزاء الكيان بدرجات حرارة متفاوتة فان الكيان غير متوازن حراريا ونتيجة
لذلك تنتقل الحرارة من موقع ذو الدرجة الحرارية العالية الى موقع ذو الدرجة الحرارية
الأوط وتستمر العملية الى ان يصبح الكيان متوازن حراريا.
2 -إذا كان هنالك اختلاف في الضغط في أماكن مختلفة ضمن حدود الكيان المائع فان ذلك
يعني ان هناك أجزاء منضغطة وأخرى مخلخلة مما يؤدي الى توليد حركة وتيارات تنقل
المادة من الجزء الأكثف الى الجزء الأقل كثافة الى ان يحدث توازن ميكانيكي.
3 - إذا كان الكيان يحتوي في البداية على مواد او عناصر قابلة للتفاعل الكيماوي فان الكيان
يعتبر غير مستقر كيمياويا مالم تنتهي التفاعلات ويكون الناتج متوازن كيمياويا.
ملاحظة: أهمية التوازن الثرموداينمكي تنش من كون مجموعة خواص الكيان تبقى ثابتة مع
الزمن وعليه يسهل استعادتها و قياسها بدقة كلما دعت الحاجة لذلك .
12 - خواص الكيان
هي الشروط التي تمثل حالة الكيان عندما يكون في حالة توازن وهذه الشروط تتعين بإحداثيات
يمكن قياسها مثل الكتلة، الضغط ، الحجم، درجة الحرارة،...... وهذه الاحداثيات تدعى خواص
الكيان
ان خواص الكيان تعتمد على حالة الكيان فقط ولا تعتمد على ما ضي الكيان ولا على العملية التي
وصل بها الكيان الى هذه الحالة فمثلا عندما تتغير أحدى خواص الكيان فان الكمية التي ست خذها
هذه الخاصية تعتمد فقط على الحالة النهائية للكيان ولا تت ثر بالمسار الذي سلكه الكيان حتى وصل
الى تلك الحالة.
وتقسم خواص الكيان الى قسمين:
1 -الخوص المركزة : وهي الخواص التي لا تعتمد على كتلة الكيان مثل درجة الحرارة
،الضغط ،الشد السطح ،اللزوجة، ....
2 -الخواص الشاملة: وهي الخواص التي تعتمد على كتلة الكيان مثل الوزن، الحجم، الطاقة
الداخلية، الانتروبي ، الشحنة، .. ويمكن تحويل الخاصية الشاملة الى مركزة وذلك بقسمة
الخاصية الشاملة للكيان على كتلته وتدعى النسبة بين قيمة الخاصية الشاملة الى كتلة الكيان
بالقيمة النوعية الى هذه الخاصية فمثلا اذا كانت الطاقة الداخلية الكلية للكيان U وكانت كتلة
الكيان m فان الطاقة الداخلية النوعية او الطاقة الداخلية لوحدة الكتلة هي u لذلك :
u=U/m
اما النسبة بين قيمة الخاصية الشاملة للكيان الى عدد المولات فيه تدعى بالقيمة النوعية المولية
لتلك الخاصية، فمثلا اذا كان حجم الكيان V وعدد المولات فيه n فان الحجم النوعي او الحجم
الذي يشغله مول واحد هو :
v =V/n
ويمكن تصنيف خواص الكيان الى صنفين خواص مستقلة وخواص تابعة
الخواص المستقلة : هي الخواص اللازمة لتعيين حالة الكيان ويعتمد عددها على طبيعة الكيان،
فالكيان البسيط يحتاج الى خاصيتين مستقلتين لتحديده ويزداد عدد الخواص اللازمة لتحديد حالة
الكيان كلما ازدادت درجة تعقيده
الخواص التابعة: وهي الخواص التي يمكن تحديد قيمتها من خلال الخواص المستقلة ، فمثلا لو
تم قياس خاصيتين مستقلتين لكيان غازي معين كالضغط ودرجة الحرارة فالخواص التابعة
كالحجم مثلا يمكن تحديدها بدلالة الضغط ودرجة الحرارة
حالة الكيان: هي مجموعة الخواص العيانية المرتبطة بالكيان عندما يكون في حالة توازن
ثرموداينمكي، ويمكن وصف حالة الكيان بواسطة القيم المعطاة لخواصه مثلا درجة حرارة،
الحجم، الضغط، الطاقة الداخلية .......
13 -العملية الثرموداينمكية
هي أي تحول للكيان من حالة توازن الى حالة توازن اخرى عبر فترة زمنية.
اوهي أي تغير في الخواص الثرموداينمكية للكيان، فعندما تتغير خواص )متغيرات( الكيان فان
حالة الكيان تتغير أيضا وعندها يقال ان الكيان يعاني عملية ثرموداينمكية فمثلا لو ازداد الضغط
المسلط على الكيان غازي محصور فان ذلك يرافقه تغير في خواص أخرى مثل الحجم ،الكثافة
،درجة الحرارة ،......
من الممكن اجراء أي عملية ثرموداينمكية بتثبيت خاصية او اكثر من خواص الكيان وترك بقية
الخواص تتغير لت خذ قيم جديدة فمثلا هناك عمليات تتم تحت حجم ثابت او تحت ضغط ثابت او
تحت درجة حرارة ثابتة ،......
-14 العملية الاديباتكية او الكاظمة
هي العملية التي تحدث دون خروج او دخول الحرارة الى الكيان اي تبقى خلالها كمية الحرارة
في الكيان ثابتة ، فالعملية التي تحدث لكيان مغلف بعازل جيد يمنع تسرب الحرارة من او الى
الكيان هي عملية ادباتيكية . ومثال على ذلك ضربة المكبس داخل أسطوانة الاحتراق الداخلي،
التضاغط والتخلخل الذي يرافق مرور الموجات الصوتية داخل الهواء
??1=??2 ????=0
15 -العملية الايزوثرمية :
هي العملية التي تحدث للكيان دون ان تغير درجة حرارته، في مثل هذه العملية يجب ان يكون
غلاف الكيان موصل جيد للحرارة بحيث يسمح بدخول او خروج الحرارة عندما يحصل زيادة او
نقصان في درجة حرارة الكيان خلال حدوث العملية، ان معظم العمليات التي تحدث ببطء تعتبر
عمليات ايزوثرمية .
??1=??2 ????=0
16 - العملية الايزوكورية او الايزومرية: هي العملية التي تتم تحت حجم ثابت.
??1=??2 ????=0
17 -العملية الايزوبارية: وهي العملية التي تتم تحت ضغط ثابت.
??1=??2 ????=0
-18 العملية الدورية
عندما يمر الكيان خلال عدد من العمليات ثم يعود ثانية الى حالته الابتدائية يقال ان الكيان قد مر
خلال دورة كاملة. ان مثل هذه العمليات تتكرر دوريا بحيث يعاني الكيان في كل دورة سلسلة من
العمليات التي تنقله من حالة معينة وتعود به بعد انتهاء الدورة الى نفس الحالة مثال على ذلك
دورة كارنو.
في مثل هذه العمليات يمتص الكيان حرارة في كل دورة وينجز شغل على المحيط وإذا كانت عدد
الدورات كبير فان مجموع الشغل الناتج كبير ويمكن الاستفادة منه كما في الآلات البخارية.
19 -العملية اللاعكسية
هي العملية التي تحدث باتجاه واحد ولا يمكن عكسها من دون ترك تغيرات دائمة على المحيط.
ان كافة العمليات الطبيعية والتي تجري ذاتيا هي عمليات لا عكسية مثلا الحرارة تنتقل من الجسم
الساخن الى الجسم البارد والرياح تهب من منطقة الضغط العالي الى منطقة الضغط الواطئ و
الاجسام تسقط من الأعلى الى الأسفل ،..... ان كل هذه العمليات تسير في الاتجاه الذي يقود الى
التوازن.
20 - العملية العكسية
هي العملية التي يمكن بعد إتمام إنجازها إعادة الكيان الى نفس الشروط التي كان عليها قبل
العملية دون ترك أي أثر على المحيط.
في الحقيقة لا توجد في الطبيعة عملية عكسية تماما ولغرض الاقتراب من العملية العكسية قدر
الإمكان ينبغي ان تتوفر الشروط التالية:
? ان تتم العملية بغاية البطء.
? ان لا يرافق العملية تبدد بالطاقة )كالضياع الذي يصاحب الاحتكاك واللزوجة
والمقاومة....(
? ان لا يختلف الضغط ودرجة الحرارة بين الكيان والمحيط.
و هنالك عمليات يمكن اجراءها بشكل معكوس يقترب ولكن لا يصل الى الحالة المثالية للعملية
العكسية مثلا:
1 -الجليد ينصهر إذا امتص حرارة ويتحول الى ماء والماء الناتج يتحول الى جليد اذا سحبنا منه
نفس المقدار من الحرارة.
-2 كل التغيرات الأدباتيكية الايزوثرمية التي تنجز بصورة متناهية في البطء تعتبر عمليات
عكسية.
3 -شحن المتسعات وتفريغها.
4 -حركة البندول الحر في غرفة مفرغة من الهواء ومعلق بنقطة ارتكاز خالية من الاحتكاك.
21 - انتقال الحرارة: يتم انتقال الحرارة بثلاث طرق
1 - التوصيل: هو انتقال الطاقة الحرارية بين الاجزاء المتجاورة نتيجة الفرق بين درجات
الحرارة دون انتقال جزيئات المادة ويوجد نوعان من الانتقال
1 - انتقال الحرارة الخطي 2 -انتقال الحرارة الشعاعي دائما ??1التيار الحراري=
????
، التيار الحراري ?
????
?
???????
???=????=?????????
K – معمل التوصيل الحراري
???=???????????
??? - التغير في طول السلك
??11
?2
مستودع حراري
مستودع حراري ساخن
ان عملية انتقال الحرارة بالتوصيل: هو عباره عن انتقال الطاقة الحرارية بين الاجزاء المتجاورة
نتيجة الفرق في درجات الحرارة.
ان معامل التوصيل الحراري: يعتمد على نوعية المادة وعلى الفرق بين درجات الحرارة
2 - انتفال الحرارة الشعاعي :
افرض ان هنالك اسطوانتين متحدتي المركز نصف قطر الاسطوانة الداخلية 1r ونصف قطر
الاسطوانة الخارجية 2r وبينهما مادة عازلة ودرجة حرارة الاسطوانة الداخلية ??1 ودرجة حرارة
الاسطوانة الخارجية ??2 فانه يمكن ايجاد التيار الحراري الذي يسري خلال القشرة الموجودة ما
بين الاسطوانتين ،علما ان طول الاسطوانة هو L
????
مساحة القشرة ??×2????
التيار الحراري الذي يمر في القشرة بين الاسطوانتين
???=?????????????????=???(2??????).???????? ????=????2????????????? ???????2??1=????2????????????????2??1? ??2???1=????2??????ln??2?ln??1
الاسطوانة الداخلية
??2
r1
الاسطوانة الخارجية
r2
???=2??????ln??2??1(??1???2) (1)
مثال ) 1 (: اذا كانت حرارة التدفق باتجاه نصف قطر خلال عازل اسطواني نصف قطره الخارجي
??2 يحيط ب نبوب بخار نصف قطره الخارجي ??1 وكانت درجة حرارة السطح الداخلي للعازل
??1 ودرجة حرارة السطح الخارجي ??2 فعلى اي بعد من مركز الانبوب البخاري تكون درجة
الحرارة مستقرة تساوي متوسط القيمة ??1و??2 .
ج/ بما ان التدفق باتجاه نصف القطر فيكون الانتقال شعاعي وبما ان درجة الحرارة مستقرة اذن
استقرار حراري . في حالة الاستقرار الحرارة تكون كمية الحرارة المنتقلة من الانبوب البخاري
الى المنطقة التي درجة حرارتها
??1+??22
مساوية الى كمية الحرارة التي تنتقل من المنطقة ذات
الاستقرار الحراري الى نهاية العازل.
???=???? ???=2??????????????1(??1???1+??22) ,????=2????????????2??(??1+??22???2 ) ???=???? 1??????2??=1????????1? ??=???1??2
R2
R1
????
????
????+??????
R
مادة عازلة
-3 انتقال الحرارة بالحمل: هو عباره عن انتقال الجزيئات من موضع الى اخر ويكون على نوعين:
1 - انتقال الحرارة بالحمل الحر او الطبيعي: تكون حركة الجزيئات هي الرئيسية
فالجزيئات الساخنة تقل كثافتها لتحل محلها الجزيئات الباردة التي لها كثافة اكبر اي
ينتج عن التغير بالكثافة.
2 -انتقال الحرارة بالحمل الاضطراري: هنا الجزيئات تجبر على الحركة أي ينتج بواسطة
قوى خارجية .
معامل الحمل يعتمد على عدة عوامل
1 -الجدار: مستوي، شاقولي، افقي، منحني. 2 -كون الوسط الملامس غاز او سائل.
3 -الكثافة، اللزوجة، الشد السطحي، التوصيل الحراري. 4 -سرعة المائع.
??=?????? (2)
?? : معامل الحمل، ??? : فرق درجتي الحرارة بين سطح الجدار والمائع ، A : المساحة
مثال) 2 (: إذا كانت درجة حرارة هواء الغرفة 25 درجة مئوية وخارجها -15 درجة مئوية فما
مقدار الحرارة المنتقلة في وحدة المساحة لنافذه زجاجية سمكها 2mm ومعامل توصيلها
k=0.386watt/m.deg
الحل/ نفرض ان درجة حرارة السطح الداخلي والخارجي للنافذة هي واحدة اي منتظمة قيمتها ??
لذلك يكون انتقال الحرارة متساوي بواسطة 1 -الحمل بالغرفة 2 -التوصيل خلال الزجاج 3 -الحمل
بالهواء الخارجي.
25???=???(?15)?10=2?????=5??° ??=?????? ,???=25?5=20
????=???? , h=1.77(???)14
????=20×1.77(20)14=74.6????????/??2
كمية الحرارة المنتقلة لوحدة المساحة داخل الغرفة
بما ان التيار الحراري بالحمل داخل الغرفة = التيار الحراري بالتوصيل في الزجاج
74.6=?????????74.6=0.836???2×10?3 ????=0.18
?0.182=0.09
5+0.09 للسطح الداخلي = 5.09?
5?0.09=4.091? للسطح الخارجي
3 -انتقال الحرارة بالإشعاع:
يعرف بانه الانبعاث المستمر للطاقة من سطوح الاجسام المختلفة ب مواج كهرومغناطيسية تختلف
فيما بينها بالتردد والطول الموجي ولها سرعة واحده هي سرعة الضوء تعتبر هذه الطريقة طريقة
نقل الطاقة.

المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .
الرجوع الى لوحة التحكم