قانون اول ترمودینامیک ، قانون دوم ترمودینامیک + جزوه و فیلم ترمودینامیک فیزیک دهم

 آشنایی با قانون صفرم ترمودینامیک ، قانون اول ترمودینامیک ، قانون دوم ترمودینامیک ، قانون سوم ترمودینامیک ، کاربرد ترمودینامیک در صنعت و جداول ترمودینامیکی فارسی

ترمودینامیک یکی از مفاهیم مهم در درس فیزیک دهم ریاضی ، فیزیک سوم ریاضی است.  همچنین در علوم مهندسی مثل مهندسی برق گرایش قدرت ، رشته مهندسی مکانیک سیالات ، مهندسی شیمی و رشته فیزیک از اهمیت بسزایی برخوردار است. در این مقاله قوانین ترمودینامیک به زبان ساده تدریس شده اند. از قانون صفرم و قانون اول ترمودینامیک شروع کرده و چند کاربرد ترمودینامیک در صنعت را بیان می کنیم.

دانشجویان رشته فیزیک ، ترمودینامیک حرفه ای را در کتاب ترمودینامیک زیمانسکی می آموزند. داوطلبان کنکور ریاضی هم برای موفقیت در فیزیک کنکور ، نیاز دارند تا مبحث ترمودینامیک را به خوبی بیاموزند. در این مقاله سعی کرده ایم مطالب ترمودینامیک دبیرستان را که در قالب فصل پنجم کتاب فیزیک دهم ریاضی و فصل اول فیزیک سوم ریاضی تدریس شده است را به صورت جزوه فیزیک دبیرستان به همراه ۱۵ فیلم اموزش فیزیک ۳ ارائه کنیم.

دانش آموزانی که به دنبال دانلود حل المسائل فیزیک سوم ریاضی هستند می توانند این مطالب را در قالب جزوه و فیلم اموزش فیزیک ۳ در این مقاله و این سایت به سادگی دریافت کنند.

در زیر می توانید فیلم اموزش فیزیک ۳ ( درس اول ) را ببینید.

مفاهیم اولیه در علم ترمودینامیک

اول از همه چند یادآوری ساده از مبحث گرما :

گرما می تواند در اجسام مختلف ذخیره شود و بین آن ها مبادله شود . اجسام مختلف در تماس با هم دیگر می توانند گرما بدهند و گرما بگیرند تا جایی که به دمای تعادل برسند .

گرما می تواند باعث تغییر حالت ، افزایش فشار ، افزایش حجم و … شود .

و حالا به معرفی چند مفهوم اولیه ترمودینامیک می پردازیم.

دستگاه

به ماده ای که تحولات آن برحسب قوانین ترمودینامیک بررسی می شود ، دستگاه ترمودینامیکی گفته می شود .

این ماده معمولا از جنس مایع یا گاز انتخاب می شود .

محیط

به اجسامی که در اطراف دستگاه قرار دارند و می توانند با آن تبادل انرژی داشته باشند ، محیط می گوییم .قانون اول ترمودینامیک

کمیت های ماکروسکوپی

کمیت هایی که وضعیت ماده را در مقیاس بزرگ توصیف می کنند . مثل:  فشار ، گرمای ویژه ، دما ، حجم و …

رفتار یک دستگاه و پدیده های گرمایی را می توانیم بر حسب کمیت هایی مثل فشار ، حجم ، دما ، گرمای ویژه و غیره توضیح می دهیم .

ویژگی این کمیت ها این است که به جزئیات رفتار تک تک مولکول های تشکیل دهنده ی دستگاه ، وابسته نیستند و تنها به وضعیت دستگاه در مقیاس بزرگ بستگی دارند .

علم ترمودینامیک

علمی است که قوانین حاکم بین کمیت های ماکروسکوپی یک دستگاه و پدیده های گرمایی را بیان می کند و به مطالعه ی مبادله ی انرژی و کاربرد آن در چنین دستگاه هایی می پردازد .

ماشین گرمایی

ماشین هایی هستند که انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند . مانند ماشین های بخار ، موتور خودروها

قانون اول ترمودینامیک حالت تعادل

یک دستگاه ترمودینامیکی در صورتی در حال تعادل است که مشخصه های قابل اندازه گیری آن مانند دما ، فشار و حجم و امثال این ها به خودی خود تغییر نکند .قانون اول ترمودینامیک ویژگی مهم حالت تعادل این است که در این حالت هر یک از کمیت های فشار ، حجم و دمای گاز ، مقدار مشخصی دارد .

حالت

دستگاه در هر وضعیتی که باشد ، دارای یک حالت است . حالت دستگاه ترمودینامیکی وضعیتی است که در آن به سر می برد . ساده ترین حالت برای یک دستگاه ، حالت تعادل است.

در علم ترمودینامیک حالت ذرات ، معادل مفهوم مسیر در علم مکانیک است .

متغیر ترمودینامیکی

به کمیت های فشار ، حجم و دما که برای توصیف حالت دستگاه استفاده می شوند ، متغیرهای ترمودینامیکی می گویند .

متغیرهای ترمودینامیکی از هم مستقل نیستند به کمک این متغیرها می توانیم حالت دستگاه را تعیین کنیم .

معادله ی حالت

رابطه ی بین متغیرهای ترمودینامیکی را معادله ی حالت می نامیم . معادله ی حالت تابعی از متغیرهای ترمودینامیکی است.

معادله ی حالت را به صورت زیر نشان می دهند :قانون اول ترمودینامیک هنگامی که ۲ تا از این کمیت ها مشخص باشند ، می گوییم حالت دستگاه مشخص است .

ساده ترین معادله ی حالت ، معادله حالت گاز کامل است .

گاز کامل – فرآیندهای ترمودینامیکی آرمانی

گاز کامل

تعریف میکروسکوپی : گازی است که ذرات آن با هم برهم کنش ندارند .

تعریف ماکروسکوپی : گازی که به اندازه ی کافی رقیق باشد .

معادله حالت گاز کامل 

معادله حالت گاز کامل به صورت زیر است:قانون اول ترمودینامیکدر معادله فوق کمیت های P , V و T متغیرهای ترمودینامیکی اند و یکای استاندارد هر کدام داده شده است. R ضریبی ثابت است و ثابت جهانی گازها نامیده می شود. در مسائل مقدار آن را به ما می دهند.

خود n از رابطه زیر بدست می آید:قانون اول ترمودینامیک مثال : با استفاده از معادله حالت گاز کامل تعیین کنید در شرایط متعارفی ( فشار یک اتمسفر و دمای صفر درجه ی سلسیوس ) در اتاقی به ابعاد ۳۶ متر مربع چند مول هوا وجود دارد ؟قانون اول ترمودینامیک مثال : اگر دمای مطلق و فشار گاز کامل دو برابر شود ، حجم گاز چند برابر می شود؟قانون اول ترمودینامیک مثال : در دمای ثابت ، حجم یک گاز را تقریبا چند درصد افزایش دهیم تا فشار گاز ، ۱۰ درصد کم شود ؟قانون اول ترمودینامیک

فرآیندهای ترمودینامیکی آرمانی

فرآیند

مجموعه ی تغییرات و تحولاتی که در طول یک مدت مشخص انجام می گیرد را فرآیند می گویند .

فرآیند ترمودینامیکی

هنگامی که دستگاه از یک حالت به حالت دیگر می رود می گوییم یک فرآیند ترمودینامیکی انجام شده است .

در فرآیندهای ترمودینامیکی فشار ، دما و حجم تغییر می کند .

چند مثال از فرآیندهای ترمودینامیکی :

جوشیدن آب ، یخ زدن آب ، انفجار سوخت درون سیلندر اتوموبیلقانون اول ترمودینامیک حالت اول : حجم را ثابت نگه می داریم و دستگاه را گرم می کنیم .قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک یادآوری : یک دستگاه ترمودینامیکی در صورتی در حالت تعادل است که مشخصه های قابل اندازه گیری آن ، مانند دما ، فشار ، حجم و امثال این ها به طور خود بخودی تغییر نکنند .

حالت دوم : دستگاه را در حجم ثابت در تماس با یک منبع گرما قرار می دهیم.قانون اول ترمودینامیک حالت سوم : فرآیند آرمانی

در حدی که گرمای داده شده به دستگاه در هر مرحله خیلی خیلی کوچک باشد ، فرآیند گرمادهی  را می توانیم به صورت یک خط نشان دهیم . در طول این فرآیند ، دستگاه همواره نزدیک به حالت تعادل می ماند. چنین فرآیندی را فرآیند آرمانی می گوییم یعنی فرایندی که در آن متغیرهای ترمودینامیکی تغییرات چندانی نداشته باشند .قانون اول ترمودینامیک به سومین فیلم اموزش فیزیک ۳ توجه کنید:

تبادل انرژی ، انرژی درونی ، قانون اول ترمودینامیک

الف – تبادل انرژی

تبادل انرژی بین محیط و دستگاه از دو طریق صورت می گیرد . گرما – کار

گرما

گرما انرژی ای است که به علت اختلاف دما بین دو جسم مبادله می شود .

هنگامی بین دستگاه و محیط گرما مبادله می شود که با هم اختلاف دما داشته باشند .

قرارداد : گرمایی را که دستگاه از محیط می گیرد با علامت مثبت و گرمایی را که محیط از دستگاه می گیرد ، با علامت منفی نشان می دهیم . انرژی گرمایی را با Q نشان می دهیم .قانون اول ترمودینامیک هنگامی که دستگاه با محیط ، تبادل گرما می کند ، معمولا فرض می کنیم که با یک منبع گرما در تماس است .

منبع گرما

جسمی است که اگر گرما از دست بدهد یا گرما بگیرد ،دمای آن به طور قابل ملاحظه ای تغییر نکند .

کار

هنگامی که دستگاه روی محیط کار انجام می دهد ، یا محیط روی دستگاه کار انجام می دهد ، انرژی مبادله می شود. این کار را با توجه به شکل زیر می توانیم محاسبه کنیم.قانون اول ترمودینامیک

آنچه در بالا می بینید کار پیستون روی گاز است.

کار گاز روی پیستون در این جابجایی به صورت زیر است :قانون اول ترمودینامیک قرارداد : کاری که محیط روی دستگاه انجام می دهد را مقداری مثبت و کاری را که دستگاه روی محیط انجام می دهد ، مقداری منفی می گیریم .

انرژی گرمایی مبادله شده بین دستگاه و محیط را با Q و کار مبادله شده بین دستگاه و محیط را با W نشان می دهند .

ب – انرژی درونی و قانون اول ترمودینامیک

انرژی درونی : انرژی درونی یک ماده با مجموع انرژی های اجزای تشکیل دهنده ی آن ماده برابر است .

انرژی درونی ماده (U) ، با مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل ذره های آن ماده برابر است .

انرژی درونی گاز کامل فقط تابع دمای مطلق گاز است .

تغییر انرژی درونی گاز ، به گرما و کار مبادله شده بین دستگاه و محیط بستگی دارد .

تغییر انرژی درونی گاز را به صورت زیر نشان می دهیم :قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک

قبل از این که قانون اول ترمودینامیک را بیان کنیم بد نیست قانون صفرم ترمودینامیک را یادآوری کنیم:

بیان قانون صفرم ترمودینامیک این است:

اگر دو سیستم A و B هر کدام جداگانه با سیستم C در تعادل گرمایی باشند ، با همدیگر هم در حال تعادل گرماییند.

قانون صفرم ترمودینامیک به n سیستم هم قابل تعمیم است.

اما به سراغ موضوع اصلی که قانون اول ترمودینامیک است می رویم.

قانون اول ترمودینامیک می گویدانتقال انرژی بین دستگاه و محیط از طریق تبادل کار و گرما صورت می گیرد .قانون اول ترمودینامیک حالت های مختلف برای کار و گرما

برای علامت های Q و W مجموعا حالت وجود دارد:قانون اول ترمودینامیک تفسیر فیزیکی هر کدام از این حالت ها به صورت زیر است:قانون اول ترمودینامیک از تفسیر این نتایج و با استفاده از قانون اول ترمودینامیک می توانیم به نتایج مهم زیر برسیم:قانون اول ترمودینامیک نکته : گرما و کاری که بین دستگاه و محیط مبادله می شود ، فقط در طی فرآیند معنی دارد .

مثال : در طی یک فرآیند ترمودینامیکی ، دستگاه ۴۲۰ ژول گرما از محیط می گیرد و انبساط می یابد . اگر کاری که دستگاه روی محیط انجام می دهد  ۱۰۰ ژول باشد ، تغییر انرژی درونی دستگاه چقدر است ؟قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

انرژی درونی گاز کامل فقط تابع دمای مطلق گاز است . در نتیجه تغییر انرژی درونی گاز در دمای ثابت صفر است .قانون اول ترمودینامیک این موضوعی که ذکر کردیم یکی از نکات بسیار مهم فیزیک کنکور و امتحان نهایی فیزیک ۳ است. هر ساله در فیزیک کنکور ریاضی ، در امتحانات فیزیک دهم ریاضی و در امتحان نهایی فیزیک ۳ ، از این نکته مساله داده می شود. بنابراین توصیه می کنم آن را به خوبی به خاطر بسپارید.

جزوه فیزیک دبیرستان : برای آشنایی با فرایند هم حجم روی فیلم زیر کلیک کنید:

فرآیندهای خاص ترمودینامیکی

فرآیندهای خاص در ترمودینامیک به صورت زیرند: فرآیند هم حجم – هم فشار – هم دما –  بی در رو

فرآیند هم حجم

فرآیندی است که در طول آن ، حجم گاز ثابت نگه داشته می شود .

به سادگی می توانیم ثابت کنیم کار انجام شده در فرایند هم حجم ، صفر است.

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

نتیجه : در فرآیند هم حجم ، کار صفر است .

قانون اول ترمودینامیک در فرآیند هم حجم

در بالا نشان دادیم کار انجام شده در فرایند هم حجم صفر است.  این موضوع بر روی قانون اول ترمودینامیک تاثیر مستقیمی دارد.

قانون اول ترمودینامیک

نتیجه : در فرآیند هم حجم ، گاز با محیط فقط گرما مبادله می کند .قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک نتیجه : در یک فرآیند هم حجم ، گاز گرما می گیرد و دما و فشار آن در حجم ثابت بالا می رود .

نکته :  اگر گاز در فرآیند هم حجم ، گرما از دست بدهد ، جهت پیکان های نمودارها عوض می شود .قانون اول ترمودینامیک مثال : نمودار P-T را را برای یک فرآیند هم حجم آرمانی یک گاز کامل رسم کنید .

قانون اول ترمودینامیک گرمای مبادله شده در فرآیند هم حجمقانون اول ترمودینامیک

در گازها ، ظرفیت گرمایی مولی به نوع فرآیند بستگی دارد .

مثلا ظرفیت گرمایی مولی در فرآیند هم حجم با ظرفیت گرمایی مولی در فرآیند هم فشار فرق دارد .قانون اول ترمودینامیک

در اولین جدول از سری جداول ترمودینامیکی فارسی این مقاله می توانید ظرفیت گرمایی مولی در حجم ثابت را برای چند گاز مختلف ببینید.قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک مثال

شکل زیر یک فرآیند هم حجم آرمانی را نشان می دهد که در صفحه ی P-V رسم شده است . گاز را کامل و تک اتمی فرض کنید . در این صورت گرمای مبادله شده چقدر است ؟ آیا در این فرآیند گاز گرما گرفته یا گرما از دست داده است ؟قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

قوانین ترمودینامیک به زبان ساده : فیلم اموزش فیزیک ۳ مربوط به فرایند هم فشار را در زیر می توانید ببینید.

فرآیندهای خاص : فرآیند هم فشار

فرآیند هم فشار فرآیندی است که در طی آن فشار گاز ثابت می ماند .

فرآیند افزایش فشار ، یک فرآیند آرمانی است . برای کسب اطلاعات بیشتر به فیلم مربوطه در بالا مراجعه کنید.قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک نتیجه : در فرآیند هم فشار آرمانی ، نمودار P-T  و P-V هر ۲ خط راست افقی اند .

مثال : نمودار حجم بر حسب دما  را برای یک فرآیند هم فشار آرمانی یک گاز کامل رسم کنید .قانون اول ترمودینامیک

محاسبه ی کار در فرآیند هم فشار آرمانی

در بالا نشان دادیم در فرآیند آرمانی هم حجم ، کار انجام شده صفر است .قانون اول ترمودینامیک می توانیم ثابت کنیم در فرآیند هم فشار آرمانی ، هم گرما و هم کار مبادله می شود .قانون اول ترمودینامیک

کار محیط روی دستگاه و نمودار P-Vقانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

نتیجه : در فرآیند هم فشار ، قدر مطلق کار محیط روی دستگاه، برابر است با سطح زیر نمودار P-V بالا

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

گرمای مبادله شده در فرآیند هم فشارقانون اول ترمودینامیک

جدول زیر دومین جدول از سری جداول ترمودینامیکی فارسی است که در آن ظرفیت گرمایی ویژه مولی چند گاز در فشار ثابت داده شده است.قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

گاهی یک دستگاه مختصات P-V را به ما می دهند . این دستگاه مختصات یک گاز را نشان می دهد که در یک فرآیند آرمانی از یک حالت اولیه ی مشخص به یک حالت نهایی مشخص می رود . از ما می خواهند گرمای مبادله شده کار مبادله شده و یا انرژی درونی دستگاه را در مسیرهای مختلف محاسبه کنیم .

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

در فرآیندهای مختلفی که برای گاز (دستگاه) رخ می دهد ، اگر گاز از حالت اولیه ی یکسان  به حالت نهایی یکسان برسد تغییر انرژی درونی گاز مقدار ثابتی است  به عبارتی تغییر انرژی درونی به مسیر بستگی ندارد.

قوانین ترمودینامیک به زبان ساده : در فیلم زیر با فرآیند خاص هم دما آشنا می شوید.

فرآیندهای خاص : فرآیند هم دما

فرآیند هم دما : فرآیندی است که در طی آن ، دمای دستگاه ، ثابت بماند .

فرآیند هم دما به دو نوع تراکم هم دما و انبساط هم دما تقسیم می شود.

تراکم هم دما

گاز متراکم می شود اما دمای آن ثابت می ماند .

وقتی گاز را متراکم می کنیم ، جنبش و برخورد مولکول های گاز بیشتر و در نتیجه دما بیشتر می شود.

نمونه ای از یک تراکم هم دما

با افزایش تدریجی تراکم ، دمای گاز کمی از دمای منبع گرمایی بیشتر شده و گاز مقداری گرما از دست می دهد تا دمایش با دمای منبع یکی شود .قانون اول ترمودینامیک نتیجه : در فرآیند تراکم هم دما ، کار محیط روی دستگاه مثبت است و گاز گرما از دست می دهد .

نمودار های P-T و  V-T در تراکم هم دما به صورت زیرند:

قانون اول ترمودینامیک

نتیجه : در فرآیند هم دما ، با افزایش تراکم ، حجم گاز کم و فشار زیاد می شود . یعنی جهت فرآیند رو به بالاست .

انبساط هم دما

پیستون را به آرامی بالا می کشیم تا گاز انبساط یابد . با این کار ، حجم گاز زیاد می شود و فشار کم می شود . در نتیجه دمای گاز کم می شود .

این کاهش دما با دریافت گرما از منبع گرمایی جبران می شود و به این ترتیب یک انبساط هم دما داریم .قانون اول ترمودینامیک

نمودار های P-T و  V-T در انبساط هم دما به صورت زیرند:

قانون اول ترمودینامیک

نکته : در انبساط هم دما دستگاه روی محیط ، کار انجام می دهد . در نتیجه کار محیط روی دستگاه منفی است .

نکته : در فرآیند هم دما ، هم کار انجام می شود و هم گرما مبادله می شود .قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

جزوه فیزیک دبیرستان : در فیلم زیر با فرایند بی دررو آشنا خواهید شد:

فرایندهای خاص: فرآیند بی دررو

فرآیند بی دررو ، فرآیندی است که در آن ، بین دستگاه ( گاز ) و محیط گرما مبادله نمی شود .قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک نتیجه : در فرآیند بی دررو ، کار انجام شده روی دستگاه برابر است با تغییرات انرژی درونی آن .

راه دیگر برای ایجاد فرآیند بی دررو این است که گاز را به سرعت متراکم یا منبسط کنیم .قانون اول ترمودینامیک

در گازهای کامل انرژی درونی گاز تابع دمای آن است به طوری که کاهش انرژی درونی گاز باعث کاهش دمای آن می شود.

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

فیزیک دهم ریاضی : برای آشنایی با مفهوم چرخه ی ترمودینامیکی  و نکات مربوط به آن به فیلم اموزش فیزیک ۳ زیر مراجعه کرده و سپس به ادامه مطلب توجه نمایید.

چرخه ی ترمودینامیکی

دستگاه می تواند فرآیندی را طی کند که از مجموع چندین فرآیند تشکیل شده است .

چرخه ی ترمودینامیکی : فرآیندی را که در طی آن ، دستگاه پس از طی چند فرآیند به حالت اولیه بر می گردد ، چرخه ترمودینامیکی نامیده می شود .قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک چون در چرخه ترمودینامیکی ، حالت نهایی با حالت ابتدایی یکسان است ، تغییر انرژی درونی دستگاه برابر صفر است ، یعنی در یک چرخه داریم:قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

چند نکته:

در یک چرخه ی ترمودینامیکی کار انجام شده برابر است با مساحت داخل چرخه در صفحه P-V.

در چرخه های ساعتگرد در صفحه ی P-V ، کار انجام شده روی دستگاه منفی و در چرخه های پادساعتگرد ، مثبت است .

کاری که در یک چرخه انجام می شود برابر است با مجموع جبری کارها در همه ی فرآیند ها

مثال : گازی چرخه ی ترمودینامیکی فرضی نشان داده شده در شکل را طی می کند .

الف – کار انجام شده روی گاز در این چرخه چقدر است ؟قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

ب- گرمای مبادله بین گاز و محیط در هر چرخه چقدر است ؟

قانون اول ترمودینامیک برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید به ترمودینامیک زیمانسکی مراجعه کنید.

فیزیک دهم ریاضی : برای آشنایی کامل با مفهوم ماشین گرمایی و انواع آن به فیلم اموزش فیزیک ۳ زیر مراجعه کنید.

ماشین گرمایی

ماشین های گرمایی ، ماشین هایی هستند که در طی چند فرایند ترمودینامیکی ، گرمای حاصل از سوخت را به کار تبدیل می کنند .

برای هر ماشین گرمایی ، یک چرخه ی ترمودینامیکی وجود دارد که ماشین بر اساس آن کار می کند .

ماشین های گرمایی به دو نوع درون سوز و برون سوز تقسیم می شوند.

ماشین گرمایی درون سوز : منبع گرمایی درون دستگاه است . مثل موتور اتومبیل ها ، کامیون ها و هواپیما ها

ماشین گرمایی برون سوز : منبع گرما در بیرون آن ها است . مثل ماشین بخار

اساس کار ماشین های گرمایی

این ماشین ها با ترکیب چند فرآیند ، مقداری گرما دریافت و بخشی از آن را به کار روی محیط تبدیل می کنند . طراحی این ماشین ها طوری است که دستگاه پس از پیمودن چند فرایند معین به حالت اولیه ی خود برمی گردد . یعنی ماشین ها در یک چرخه ی معین کار می کنند و این چرخه دائما تکرار می شود .

قانون اول ترمودینامیک ماشین بخار

امروزه مهم ترین کاربرد ماشین های بخار در تولید برق است .

قانون اول ترمودینامیک

بخش های اصلی ماشین بخار

دیگ بخار – اتاقک انبساط – چگالنده – شیرهای ورودی و خروجی – لوله های رابط

توضیحات کامل تر را می توانید در فیلم بالا ببینید.

قانون اول ترمودینامیک

یک چرخه ی ماشین بخار ، شامل ۴ مرحله است :

مرحله ی اول

آب از منبع گرم ، گرما گرفته و درون دیگ بخار در فشار ثابت به بخار تبدیل می شود .  در این مرحله دما و حجم بخار آب تا حد معینی افزایش می یابد .

مرحله ی دوم

شیر ورودی باز می شود و بخار آب که دما و فشار آن بسیار زیاد است وارد اتاقک انبساط می شود . به پیستون نیرو وارد می کند و آن را به حرکت در می آورد . در نتیجه ی این حرکت ، بخار آب به سرعت منبسط می شود و دما و فشار آن کاهش می یابد . چون این انبساط بسیار سریع انجام می شود ، این فرایند را می توان بی دررو در نظر گرفت .

مرحله ی سوم

در هنگام بازگشت پیستون ، شیر ورودی بسته و شیر خروجی باز می شود و بخار آب به سمت چگالنده که لوله های آب سرد یا فن های خیلی قوی آن را خنک می کنند ، هدایت می شود . در چگالنده ، بخار آب در فشار ثابت گرما از دست می دهد و به مایع تبدیل می شود . در این فرایند حجم بخار آب کاهش می یابد .

مرحله ی چهارم

تلمبه آب حاصل از میعان را به دیگ بخار بر می گرداند و فشار آن را به طور بی دررو  به فشار اولیه می رساند و به این ترتیب چرخه ی ترمودینامیکی کامل می شود .

در ماشین گرمایی ، کوره را که در دمای بالاتری قرار دارد منبع گرم و چگالنده را منبع سرد می نامیم .

چرخه ی ماشین بخار ، چرخه رانکلین نامیده می شود .

قانون اول ترمودینامیک ب – ماشین های گرمایی درون سوز

موتور بیشتر خودروهای سواری ، هواپیماهای ملخ دار ، برخی کشتی ها ، قطار ها و نیروگاه های کوچک درون سوزند .

ماشین بنزینی

در موتور بنزینی ، بخشی از انرژی حاصل از سوخت ، سبب حرکت پیستون می شود . این حرکت از طریق شاتون و میل لنگ به حرکت دورانی تبدیل می شود . با انتقال این حرکت دورانی به چرخ ها ، اتومبیل حرکت می کند .قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

الف – مرحله ی مکش

پیستون به پایین حرکت می کند و مخلوط بنزین و هوا از طریق دریچه ی ورودی وارد استوانه

می شود . وقتی پیستون بالا است حجم فضای بالای آن V است . وقتی پیستون پایین است ، حجم این فضا rV است . ( r را نسبت تراکم می گویند )

وقتی پیستون به پایین ترین وضعیت خود رسید ، سوپاپ دریچه ی ورودی بسته می شود و مخلوط بنزین و هوا در داخل استوانه محبوس می شود .

قانون اول ترمودینامیک ب – مرحله ی تراکم

تا اینجا مخلوط بنزین و هوا وارد سیلندر شده ، پیستون بالا می آید . مخلوط را متراکم می کند و  آن را به حجم V می رساند . این تراکم به سرعت رخ می دهد و بنابراین می توانیم آن را به صورت بی دررو در نظر بگیریم . در پایان این مرحله ، دما و فشار مخلوط بسیار بالا می رود .

قانون اول ترمودینامیک پ – مرحله آتش گرفتن

هنگامی که پیستون به بالاترین وضعیت خود رسید شمع جرقه می زند . مخلوط اتش می گیرد و دما و فشار آن در حجم ثابت V تا مقدار زیادی بالا می رود . چون آتش گرفتن مخلوط در داخل استوانه رخ می دهد و مخلوط از بیرون گرما نمی گیرد این موتور را درون سوز می گویند .

قانون اول ترمودینامیک ت – مرحله ی انجام کار

در اثر جرقه ی شمع ، مخلوط سوخت و هوا منفجر می شود و مخلوط به سرعت منبسط می شود و حجم آن از V به  rV      می رسد .

در این مرحله مخلوط ، پیستون را به شدت به پایین می راند و روی آن کار انجام می دهد .این کار  توسط میل لنگ به اجزای دیگر ماشین منتقل می شود .

قانون اول ترمودینامیک ث – مرحله ی تخلیه و خروج گاز

در بخش اول ، در حالی که پیستون در پایین ترین وضعیت (حجم rV ) قرار دارد ، سوپاپ دریچه ی خروجی باز می شود و قسمتی از محصولات احتراق به صورت دود از دریچه ی خروجی خارج می شود و فشار تا فشار جو کاهش می یابد .

در بخش دوم مرحله ی تخلیه ، پیستون بالا می آید و بقیه ی محصولات احتراق را بیرون می راند و  حجم فضای بالای پیستون به مقدار اولیه ی V می رسد . در مرحله ی تخلیه با خروج دود ، مقدار زیادی گرما به هوای بیرون داده می شود .

قانون اول ترمودینامیک چرخه ی اتو

چرخه ی ماشین بنزین سوز ، چرخه ی اتو نام دارد .

فرض های لازم :

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

برای آشنایی با نحوه محاسبات مربوط به ماشین های گرمایی و بازده آن ها به فیلم اموزش فیزیک ۳ زیر توجه کنید:

بازده ماشین گرمایی

سوال : تحت چه شرایطی یک ماشین گرمایی می تواند بیشترین کار ممکن را روی محیط انجام دهد؟

برای پاسخ به این سوال باید با مفهوم بازده { یا راندومان } ماشین های گرمایی آشنا باشید.قانون اول ترمودینامیک بازده یک ماشین گرمایی از رابطه زیر بدست می آید:قانون اول ترمودینامیک در یک چرخه ی ترمودینامیکی تغییرات انرژی درونی ماشین صفر است .قانون اول ترمودینامیک

بنابراین برای محاسبه بازده یک ماشین گرمایی ، می توانیم از یکی از فرمول های زیر استفاده کنیم.قانون اول ترمودینامیک نتیجه :

اولا بازده کمیتی بدون یکا است .

برای افزایش بازده ماشین ، اختلاف دمای بین منبع گرم و منبع سرد باید کوچک باشد .

کمترین مقدار بازده صفر  و بیشترین مقدار آن کوچک تر از یک است .قانون اول ترمودینامیک بازده واقعی ماشین های درون سوز بنزینی  ۲۵ تا  ۳۰ درصد است .

بازده واقعی ماشین های درون سوز دیزلی و ماشین های بخار در حدود  ۴۰ درصد است .قانون اول ترمودینامیک

آموزش فیزیک سوم دبیرستان رشته ریاضی : به فیلم مهم زیر توجه کنید.

قانون دوم ترمودینامیکماشین کارنو

الف – قانون دوم ترمودینامیک

یادآوری : همه ی ماشین های گرمایی با دو منبع گرما با دماهای متفاوت کار می کنند.

قانون اول ترمودینامیک قانون دوم ترمودینامیک ( به بیان ماشین گرمایی )

ممکن نیست دستگاه چرخه ای را پیماید که در طی آن مقداری گرما را از منبع گرم جذب و تمام آن را به کار تبدیل کند.

ب – قضیه کارنو

قانون اول ترمودینامیک

چرخه ی کارنو از دو فرآیند بی دررو و دو فرآیند هم دما تشکیل می شود.

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

بازده ماشین کارنو به جنس ماده ای که چرخه را می پیماید بستگی ندارد بلکه فقط به دمای دو منبع سرد و گرم که ماشین بین آن ها کار می کند وابسته است.قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

آموزش فیزیک سوم دبیرستان رشته ریاضی : فیلم آشنایی با یخچال ها و سیکل تبرید یخچال

یخچال ها

قبلا گفتیم ماشین گرمایی ، وسیله ای است که گرما را از یک منبع گرم دریافت کرده ، مقداری از آن را به کار تبدیل می کند و گرمای باقیمانده را به یک منبع سرد می دهد . در نقطه مقابل ماشین گرمایی یخچال قرار دارد. در واقع یکی از موارد مهم کاربرد ترمودینامیک در صنعت ، یخچال ها هستند که زندگی ما را بسیار ساده و گوارا کرده اند.

یخچال وسیله ای است که با انجام کار ، گرما را از منبعی سرد می گیرد و به منبعی گرم می دهد.قانون اول ترمودینامیک

در یخچال هم مثل ماشین های گرمایی یک چرخه ی ترمودینامیکی طی می شود .

قانون اول ترمودینامیک

طرز کار کولر گازی شبیه طرز کار یخچال است .

در زیر می توانید طرحواره سیکل تبرید یخچال را ببینید.

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک ضریب عملکرد یخچال های خانگی حدود  ۵ و کولرهای گازی حدود  ۵/۲ است .قانون اول ترمودینامیک سوال ۱– برای این که مصرف انرژی الکتریکی یک یخچال به حداقل برسد چه باید کرد ؟

پاسخ : قرار ندادن غذاهای گرم درون یخچال ، کم تر باز کردن در یخچال ، زیاد نبودن محتویات درون یخچال

سوال ۲– چرا بدنه و موتور یخچال همیشه داغ است ؟

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

قانون دوم ترمودینامیک ( به بیان یخچالی )

گرما به طور خود به خود از جسم سرد به جسم گرم منتقل نمی شود.

قانون اول ترمودینامیک قانون اول ترمودینامیک

موضوع دیگر قانون سوم ترمودینامیک است که از سطح این کتاب بالاتر است. بنابراین درباره آن توضیحی نمی دهیم.

اگر قصد تحصیل در مهندسی برق گرایش قدرت یا رشته مهندسی مکانیک سیالات را دارید بهتر است این مطالب را با دقت بیشتری فرا بگیرید.

برای آشنایی با سوالات امتحان نهایی فیزیک ۳  می توانید به مقاله مشابه دیگری که در این سایت وجود دارد مراجعه کنید. برای دانلود حل المسائل فیزیک سوم ریاضی می توانید به سه فیلم آموزش فیزیک ۳ در ادامه مقاله مراجعه کنید.

پرسش های فصل پنجم فیزیک دهم ریاضی و فصل اول فیزیک سوم ریاضی

 آموزش فیزیک سوم دبیرستان رشته ریاضی : بخش اول مسائل را در زیر ببینید.

بخش دوم مسائل و نمونه سوالات فیزیک سوم ریاضی و فیزیک دهم ریاضی را در فیلم زیر ببینید:

 آشنایی با قانون صفرم ترمودینامیک ، قانون اول ترمودینامیک ، قانون دوم ترمودینامیک ، قانون سوم ترمودینامیک ، کاربرد ترمودینامیک در صنعت و جداول ترمودینامیکی فارسی

فیزیک دهم ریاضی , قانون اول ترمودینامیک , قانون دوم ترمودینامیک , قانون سوم ترمودینامیک , کاربرد ترمودینامیک در صنعت , جداول ترمودینامیکی فارسی , فیزیک سوم ریاضی , مهندسی برق گرایش قدرت , رشته مهندسی مکانیک سیالات , ترمودینامیک زیمانسکی , جزوه فیزیک دبیرستان , فیلم اموزش فیزیک ۳ , دانلود حل المسائل فیزیک سوم ریاضی , معادله حالت گاز کامل , امتحان نهایی فیزیک ۳ , قانون صفرم ترمودینامیک , قوانین ترمودینامیک به زبان ساده , ماشین کارنو , ماشین گرمایی , گاز کامل , سیکل تبرید یخچال , آموزش فیزیک سوم دبیرستان رشته ریاضی

first-law-of-thermodynamics

این مقاله را با دیگران به اشتراک بگذارید :

از پنج، به این مطلب چه امتیازی می دهید؟

کل امتیازات: 3 / میانگین امتیازها: 5



مطالب مرتبط

درباره مقاله فوق چه نظری دارید؟