آموزش دروس دبیرستان - هوالفتاح العلیم

آموزش شیمی ۱-زیست شناسی ۱

آموزش دروس دبیرستان - هوالفتاح العلیم

آموزش شیمی ۱-زیست شناسی ۱

هوالفتاح العلیم - شیمی برای زندگی - دما

بسمه تعالی

با سلام

من از پروانه بودن ها، من از دیوانه بودن ها، من از بازی یک شعله ی سوزنده که آتش زده بر دامان پروانه نمیترسم...
من از هیچ بودن ها، از عشق نداشتن ها، من از بی کسی و خلوت انسان ها میترسم...

با تشکر از: http://daneshnameh.ir/mavara/mavara-index.php?page=%d8%af%d9%85%d8%a7&SSOReturnPage=Check&Rand

دما

علوم طبیعت > شیمی
علوم طبیعت > فیزیک > حرارت و ترمودینامیک > ترمودینامیک

(cached)

دمای یک سیستم ویژگی است که تعیین می‌کند آیا یک سیستم با سیستم‌های دیگر در تعادل گرمایی قرار دارد یا خیر.

دید کلی

مفاهیم داغ و سرد برای انسان ، مانند هر موجود زنده دیگر ذاتی است و دمای محیط مجاور را بیلیونها عصبی که به سطح پوسته می‌رسند، به مغز خبر می‌دهند. اما پاسخ فیزیولوژیکی به دما اغلب گمراه کننده است و کسی که چشمش بسته است نمی‌تواند بگوید که آیا دستش با اتوی بسیار داغ ، سوخته یا به وسیله یک تکه یخ خشک شده است. در هر دو حالت احساسی پدید می‌آید، زیرا هر دو عینا پاسخ فیزیولوژیکی به آسیبی هستند که به نسج رسیده است.

یک آزمایش ساده

دو ظرف یکسان انتخاب کرده ، در یکی آب گرم و در دیگری آب سرد بریزید. حال یک دست خود را در آب گرم و دست دیگر را در آب سرد فرو برید. حال هر دو دست را در آب نیم‌گرم وارد کنید. احساس شما چیست؟

قطعا دستی که ابتدا در آب گرم بوده است، آب نیمگرم را سردتر و دست دیگر آن را گرمتر احساس خواهد کرد. بنابراین با این آزمایش ساده می‌توان نتیجه گرفت که قضاوت ما در مورد دما می‌تواند نسبتا گمراه کننده باشد. علاوه بر این گستره حس دمایی ما محدود است و ما به یک معیار معین و عددی برای تعیین دما نیاز داریم.

دماسنج‌های اولیه

نخستین وسیله واقعی علمی برای اندازه‌ گیری دما در سال 1592 توسط گالیله اختراع شد. وی برای این منظور یک بطری شیشه‌ای گردن‌باریک انتخاب کرده بود. بطری با آب رنگین تا نیمه پر شده و وارونه در یک ظرف محتوی آب رنگین قرار گرفته بود. با تغییر دما ، هوای محتوی شکم بطری منبسط یا منقبض می‌شد و ستون آب در گردن بطری بالا یا پایین می‌رفت. در این وسیله ، گالیله توجه نداشت که مقیاس برای سنجش دما بکار ببرد، بطوری که وسیله وی ، بیشتر جنبه دما نما داشت تا جنبه دماسنج.

در سال 1635 ، فردیناند توسکانی ، که به علوم علاقه‌مند بود، دماسنجی ساخت که درآن از الکل استفاده کرد و سر لوله را چنان محکم بست که الکل نتواند تبخیر شود. سرانجام ، در سال 1640 ، دانشمندان آکادمی لینچی ، در ایتالیا ، نمونه‌ای از دماسنج‌های جدیدی را ساختند که در آن جیوه به کار برده و هوا را دست کم تا حدودی ، از قسمت بالای لوله بسته خارج کرده بودند.

توجه به این نکته جالب است که در حدود نیم قرن طول کشید تا دماسنج کاملا تکامل یافت و حال آنکه میان کشف امواج الکترومغناطیسی و ساختن نخستین تلگراف بی‌سیم ، یا میان کشف اورانیوم و نخستین بمب اتمی چند سالی بیشتر طول نکشید.

اندازه‌ گیری دما

برای تعیین یک مقیاس تجربی دما ، سیستمی با مختصات xy را به عنوان استاندارد که ما آن را دماسنج می‌نامیم، انتخاب می‌کنیم و مجموعه قواعدی را برای نسبت دادن یک مقدار عددی به دمای وابسته به هر کدام از منحنیهای همدمای آن ، اختیار می‌کنیم. به هر سیستم دیگری که با دماسنج در تعادل گرمایی باشد، همین عدد را برای دما نسبت می‌دهیم.

قوانین گازها

همان وقت که اسحاق نیوتن در کمبریج درباره نور و جاذبه می‌اندیشید، یک نفر انگلیسی دیگر به نام رابرت بویل ، در آکسفورد سرگرم مطالعه در باب خواص مکانیکی و تراکم‌پذیری هوا و سایر گازها بود. بویل که خبر اختراع گلوله سربی اوتوفون گریکه را شنیده بود، طرح خویش را تکمیل کرد و دست به کار آزمایشهایی برای اندازه ‌گیری حجم هوا در فشار کم و زیاد شد.

نتیجه کارهای وی چیزی است که اکنون به قانون بویل-ماریوت معروف است و بیان می‌کند که حجم مقدار معینی از هر گاز در دمای معین با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود، بطور معکوس متناسب است با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود.

حدود یک قرن بعد ، ژوزف گیلوساک فرانسوی ، در ضمن مطالعه انبساط گازها ، قانون مهم دیگری پیدا کرد که بیان آن این است: فشار هر گاز محتوی در حجم معین به ازای هر یک درجه سانتیگراد افزایش دما ، به اندازه 273/1 حجم اولیه‌اش افزایش می‌یابد. همین قانون را یک فرانسوی دیگر به نام ژاک شارل ، دو سال پیش از آن کشف کرده بود و از این رو اغلب آن را قانون شارل-گیلوساک می‌نامند. این دو قانون مبنای ساخت دماسنجهای گازی قرار گرفت.

img/daneshnameh_up/e/ec/thermometer1.jpg

انواع دماسنجها

دماسنج گازی

جنس ، ساختمان و ابعاد دماسنج در ادارات و موسسات مختلف سراسر دنیا که این دستگاه را بکار می‌برند، تفاوت دارد و به طبیعت گاز و گستره دمایی که دماسنج برای آن در نظر گرفته شده است، بستگی دارد. این دماسنج شامل حبابی از جنس شیشه ، چینی ، کوارتز ، پلاتین یا پلاتین ـ ایریدیم ، ( بسته به گستره دمایی که دماسنج در آن بکار می‌رود )، می‌باشد که به وسیله یک لوله موئین به فشارسنج جیوه‌ای متصل است. این دماسنج براساس دو قانون ذکر شده در مورد گاز کامل کار می‌کند.

دماسنج با مقاومت الکتریکی

دماسنج مقاومتی به صورت یک سیم بلند و ظریف است، معمولا آن را به دور یک قاب نازک می‌پیچند تا از فشار ناشی از تغییر طول سیم که در اثر انقباض آن در موقع سرد شدن پیش می‌آید، جلوگیری کند. در شرایط ویژه می‌توان سیم را به دور جسمی که منظور اندازه گیری دمای آن است پیچید یا در داخل آن قرار داد.

در گستره دمای خیلی پایین ، دماسنجهای مقاومتی معمولا از مقاومتهای کوچک رادیویی با ترکیب کربن یا بلور ژرمانیوم که ناخالصی آن آرسنیک است و جسم حاصل در درون یک کپسول مسدود شده پر از هلیوم قرار دارد، تشکیل می‌شوند. این دماسنج را می‌توان بر روی سطح جسمی که بمنظور اندازه گیری دمای آن است سوار کرد یا در حفرهای که برای این منظور ایجاد شده است، قرار داد.

دماسنج مقاومتی پلاتین را می‌توان برای کارهای خیلی دقیق در گستره 253– تا 1200 درجه سانتیگراد بکار برد.

ترموکوپل

ترموکوپل وسیله دیگری است که برای اندازه‌ گیری دما مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این نوع دماسنج از خاصیت انبساط و انقباض اجسام جامد استفاده می‌گردد. گستره یک ترموکوپل بستگی به موادی دارد که ترموکوپل از آن ساخته شده است. گستره یک ترموکوپل پلاتنیوم ـ رودیوم که 10 درصد پلاتینیوم دارد، از صفر تا 1600 درجه سانتیگراد است.

مزیت ترموکوپل در این است که بخاطر جرم کوچک ، خیلی سریع با سیستمی که اندازه‌ گیری دمای آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمایی در می‌آید. لذا تغییرات دما به آسانی بر آن اثر می‌کند، ولی دقت دماسنج مقاومتی پلاتین را ندارد.

واحد اندازه‌ گیری دما

کلوین: کلوین مقیاس بنیادی دما در علوم است که سایر مقیاسها بر حسب آن تعریف می‌شوند.
سلیسیوس یا سانتیگراد: مقیاس سلیسیوس بر اساس نقطه سه گانه آب می‌باشد. اگر t نشان‌دهنده دمای سلیسیوس و T نشان‌دهنده دمای کلوین باشد، در اینصورت داریم: 273.15 - t =T
فارنهایت: این مقیاس هنوز هم در بعضی از کشورهای انگلیسی‌زبان به کار می‌رود و در کارهای علمی استفاده نمی‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان

نقطه سه گانه آب

علوم طبیعت > فیزیک > حرارت و ترمودینامیک > ترمودینامیک
علوم طبیعت > شیمی > شیمی فیزیک > ترموشیمی

(cached)

نقطه سه گانه آب نقطه ثابتی است که در آن یخ ، آب و بخار آب با هم در حال تعادل قرار دارند. این حالت فقط در فشار معینی حاصل می‌شود و یگانه است. فشار بخار آب در نقطه سه گانه 4.58 میلیمتر جیوه است. دما در این نقطه استاندارد ، به دلخواه مساوی با 273.16 درجه کلوین اختیار می‌شود.

مقدمه

برای ساختن وسیله‌ای برای اندازه گیری دما ، هر نوع انتخاب ماده و خاصیت دماسنجی ، همراه با رابطه مفروض بین خاصیت و دما، منجر به یک مقیاس دمایی خاص می‌شود که اندازه گیری‌های آن الزاما با اندازه گیری‌های حاصل از هر مقیاس دمایی دیگری که به صورت مستقل تعریف شده است، توافق نخواهد داشت. برای جلوگیری از این آشفتگی یک مقیاس جهانی برای درجه بندی ارائه می‌شود. در این مقیاس برای درجه بندی دماسنجی ، یک نقطه ثابت استانداردی نیاز است که در آن تمام دماسنجها دمای یکسانی را برای آن نقطه نشان دهند. به این ترتیب یک هماهنگی میان ابزارهای اندازه گیری دما حاصل می‌شود. این نقطه ثابت همان نقطه سه گانه آب است.

روشهای اندازه گیری دما

برای سنجش دما دو روش وجود دارد. در روش اول دو دمای از پیش تعین شده در نظر می‌گیریم و دمای مجهول را با احتساب مقادیر دماهای معلوم بدست می‌آوریم. به عنوان مثال دمای نقطه ذوب یخ را صفر درجه و دمای نقطه جوش متعارف آب را 100درجه سانتیگراد انتخاب می‌کنند و فاصله بین این دو نقطه را روی دماسنج به صد قسمت مساوی تقسیم کرده و هر کدام را یک درجه سانتی‌گراد می‌نامند. این نوع مدرج کردن دماسنجها را روش صد تقسیمی می‌گویند که اصول دماسنجی معمولی را تشکیل می‌دهد.

روش دوم که از سال 1954به بعد معمول شد و امروزه نیز از آن استفاده می‌شود، روش جدیدی است. در این روش پیشنهاد می‌شود که انتخاب فقط یک دمای از پیش تعریف شده تحت عنوان دمای استاندارد کافی است. این دمای منحصر به فرد که در همه جا قابل دسترسی است و البته مستقل از شرایط اقلیمی می‌باشد، دمای نقطه سه گانه آب است.

تعیین دمای نقطه سه گانه آب

اولین بار وسیله‌ای که برای تعیین نقطه سه گانه آب بکار رفت، ظرف شیشه‌ای U شکلی بود که در این ظرف ابتدا آبی با درجه خلوص بالا قرار داده می‌شود. سپس برای این که بخار به میزان معین در داخل ظرف تشکیل شود، آن را به یک پمپ تخلیه متصل می‌کنند. البته در غیاب پمپ نیز همیشه از طریق تبخیر سطحی ، مقداری بخار در بالای آب وجود دارد. منتها بخار غیر اشباع بوده و دارای فشار مورد نظر نمی‌باشد. وقتی هوای داخل لوله تخلیه شود، عمل تبخیر تسریع می‌شود و در مدت اندکی به میزان زیاد بخار در ظرف بوجود می‌آید.

این عمل تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که فشار بخار موجود در بالای آب به 612 پاسکال برسد. پس از وصول این حالت عمل تخلیه قطع می‌شود. برای این که حالت سوم یعنی یخ در ظرف بسته فوق حاصل شود، قطعات یخی در شکم ظرف تعبیه می‌کنند. پس اگر به سیستم فرصت بدهیم، بتدریج لایه نازکی از یخ در جدار داخل آن تشکیل می‌شود. پس از آن که به میزان قابل ملاحظه‌ا‌‌ی ، یخ در داخل ظرف تشکیل شد، قطعه یخ‌های بیرونی را کنار می‌گذاریم. تا زمانی که در داخل این ظرف یخ ، آب و بخار آب وجود دارد و اندازه هیچ کدام فزونی نمی‌یابد، دمای داخل ظرف طبق تعریف دمای نقطه سه گانه است.

ساقی و مطرب و مِی جمله مهیاست ولی عیش بی یار مهیا نشود، یار کجاست؟

امام عصر ارواحنا لتراب مقدمه الفداه :

اگر چنانچه شیعیان ما که خداوند بر انجام طاعت خویش آنها را موفق گرداند،

در راه وفای به عهد و پیمانی که بر دوش دارند همدل می شدند،

میمنت دیدار ما از ایشان به تاخیر نمی افتاد

و سعادت دیدن ما زودتر نصیبشان می شد.

بحارالانوار، ج53، ص 177

صفر مطلق

علوم طبیعت > فیزیک > حرارت و ترمودینامیک > ترمودینامیک
علوم طبیعت > شیمی > شیمی فیزیک > ترموشیمی

(cached)

دید کلی

نقطه مرجع در مقیاس دمای مطلق 273,15- سانتیگراد است. این نقطه را صفر مطلق می‌گویند، معنای آن تنها پس ار روشن شدن ارتباط منشا گاز با انرژی جنبشی اتمهای آن با توجه به نظریه جنبشی گازها ، روشن شد. این نظریه بیان می‌کند که حرکت اتمها در صفر مطلق به کلی متوقف می‌شود، ولی این توضیح درست نیست. در واقع مکانیک کلاسیک قادر به توضیح این پدیده نیست، ولی مکانیک کوانتومی آن را به خوبی توضیح می‌دهد.

فیزیک در صفر مطلق

نظریه جنبشی گازها بیان می‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلی متوقف می‌شود و دمای مطلق T تنها معیاری از اندازه انرژی جنبشی اتمهاست و بس. اما این توضیح هر چند ساده واضح است، درست نیست. اکثر دماها در فلزات حتی در دمای T = 0 نیز با سرعتهای بالا حرکت می‌کنند.
مکانیک کوانتومی برای خیلی از مفاهیم توضیحات طبیعی دارد از جمله دمای مطلق و صفر مطلق.

مکانیک کوانتمی

برای ادامه بحث باید قدری اطلاعات کوانتومی داشته باشیم که متأسفانه آن را با چند کلمه نمی‌توان بیان کرد، ولی سعی کنیم واقعیات را بدون اثبات بیان و تعداد اطلاعات را به حداقل برسانیم. اگر بخواهیم از رفتار الکترون در میدان مغناطیسی اطلاع داشته باشیم مکانیک کوانتومی توصیف زیر را ارائه می‌دهد:
الکترون را می‌توان با فرفره چرخان مقایسه کرد (هر چند این مقایسه خیلی درست نیست). بهتر است بگوییم که الکترون ، همانند فرفره چرخان ، دارای تکلانه زاویه‌ای ذاتی به نام اسپین است، بدون اینکه در جزئیات چرخش بحث کنیم اسپین الکترون به گشتاور مغناطیسی ذاتی آن مربوط است. الکترون در میدان مغناطیسی مانند آهنربا رفتار می‌کند.

اگر الکترون در میدان مغناطیسی ثابت قرار گیرد بنا به قوانین مکانیک کوانتومی اسپین آن می‌تواند یا در امتداد راستای میدان قرار گیرد و یا در جهت مخالف آن. راستای گشتاور دو مغناطیسی الکترون در جهت مخالف اسپین است: از اینرو همانند اسپین می‌تواند دو تصویر در جهت میدان مغناطیسی داشته باشد. اگر میدان هم راستا باشند، این تصویرز برابر است با µ₀- و اگر در راستای هم باشند، برابر است با µ₀+ که µ₀>0 ، کمیت µ مگنتون بور نام دارد. اگر شدت میدان مغناطیسی H باشد، انرژی پتانسیل یک الکترون در این میدان برابر می‌شود با µ₀H یا µ₀H- ، سرانجام می‌توان گفت الکترون در میدان مغناطیسی می‌تواند دو حالت داشته باشد، انرژی این حالتها برابر است با µ₀H یا µ₀H-.

اکنون دستگاهی متشکل از تعداد زیادی الکترون را که در نقاط مختلف فضا ثابت شده‌اند در نظر می‌گیریم. به عنوان مثال می‌توان تعداد زیادی اتم را که هر کدام چند الکترون دارند، در نظر گرفت. انرژی این دستگاه در میدان مغناطیسی را تعداد الکترون نهایی که اسپین آنها در راستای میدان و مخالف آن هستند، تعیین می‌کنند.

مقایسه دستگاه الکترونها در میدان مغناطیسی و گاز کامل

دستگاهی از الکترونها با گشتاور مغناطیسی را می‌توان با گاز کامل مقایسه کرد و انرژی الکترون در میدان مغناطیسی نقش سرعت (انرژی جنبشی) اتمها را بازی می‌کند. اما به انرژی جنبشی می‌توان هر مقدار مثبتی را نسبت داد، در حالی که انرژی در میدان مغناطیسی ، فقط دو مقدار به خود می‌گیرد. جالب است بدانید که این قید قانون پایه آمار را تغییر نمی‌دهد و در ترازمندی گرمایی ، احتمال یافتن ذره‌ای در حالت انرژی ε با تابع نمایی (exp(-ε/kt متناسب است.

در اینجا نیز همچون گاز ، لازم است ترازمندی گرمایی اتمها واقعا دست یافتنی باشد، بنابراین (مانند برخورد اتمها در گاز کامل) گشتاورهای مغناطیسی باید با یکدیگر برهمکنش داشته باشند. اگر این شرط تأمین شود، قانون آمار بدون توجه به ساز و کار خاصی که دستگاه را به ترازمندی گرمایی می‌کشاند، حکم فرما خواهد بود.
انرژی الکترون در میدان مغناطیسی:

µ₀H: اسپین در امتداد میدان

µ₀H-: اسپین در جهت مخالف میدان

پس با توجه به آنچه گفته شد در ترازمندی گرمایی احتمال یافتن ذره در حالت اسپین در امتداد میدان (exp(µ₀H/kT است، یعنی در ترازمندی گرمایی تعداد الکترونها با اسپین مخالف جهت میدان از تعداد الکترونها با اسپین در جهت میدان بیشتر است. همانطور که مشاهده می‌کنید، حالت ترازمندی پایایی دستگاه تنها با تک پارامتر T ، یعنی دمای مطلق آن تعیین می‌شود.

عقربه‌های مغناطیسی

اکنون فرض کنید که به جای الکترونهای دارای گشتاور در مغناطیسی ، تعدادی عقربه مغناطیسی داریم که بطور کاتوره‌ای پراکنده‌اند. چون عقربه‌های مغناطیسی باید سمت شمال قرار گیرند، آنها با دامنه یکسان در راستای شمال - جنوب به نوسان در می‌آیند. اگر محور عقربه‌ها اصطکاکی نداشت و نیز میان عقربه‌ها جاذبه‌ای موجود نبود، این نوسانها بطور نامحدود ادامه پیدا می‌کردند. در واقع ، سرانجام عقربه‌ها از نوسان باز می‌ایستند، زیرا بر اثر اصطکاک محور ، انرژی مصرف می‌شود و همه عقربه‌ها به سمت شمال قرار می‌گیرند.

به علاوه ، عقربه‌های آهنربا روی یکدیگر نیز تأثیر می‌گذارند. حرکتشان به یکدیگر جفت شده است، یعنی می‌توانند انرژی به عقربه‌های دیگر انتقال دهند. بدین طریق می‌توان در رفتار عقربه‌ها مدلی از چگونگی رسیدن دستگاه اسپینها به ترازمندی بازیافت. محورها نقش مرداب گرما را بازی می‌کنند که انرژی جنبشی عقربه‌ها به آنها منتقل می‌شود. عقربه‌های ساکن به دستگاه اسپینها ، در دمای T=0 شباهت دارد. دما به صفر می‌رسدف زیرا انرژی همواره از عقربه‌ها به محورها انتقال می‌یابد، بعد از اینکه همه انرژی انتقال یافت ترازمندی برقرار می‌شود.

با مطالعه در می‌یابیم که عقربه‌های مغناطیسی کاملا نمی‌ایستند، بلکه به سبب بمباران دائم توسط مولکولهای هوا و لرزش خفیف محورهایشان ، با دامنه‌های خیلی کوچک نوسان می‌کنند. از اینرو انرژی نمی‌تواند تا صفر تنزل کند و در میانگین برابر kT باقی می‌ماند. این حرکت را حرکت براونی گویند.

مدل عقربه‌های آهنربا و مفهوم صفر مطلق

در راستای ممکن اسپین در هر دما، احتمالهای متفاوت رخ می‌دهند. در دماهای خیلی پایین تقریبا همه الکترونها در تراز پایینتر جمع می‌شوند. یعنی اسپینهای آنها در راستای مخالف میدان قرار می‌گیرند. تراز بالاتر ، تقریبا تهی ، یعنی خالی از جمعیت می‌ماند. هر چه دما بالاتر باشد، تراز بالاتر "پرجمعیت" می‌شود. به عنوان مثال در دماهای خیلی بالا (ε << KT) هر دو تصویر اسپین احتمال تقریبا برابر دارند. اگر دما پایین بیاید، بخش بزرگ و رو به افزایشی از اسپین الکترونها در راستای مخالف قرار می‌گیرند. اگر T = 0 باشد، اسپین همه الکترونها در راستای مخالف میدان قرار می‌گیرند. این حالت دستگاه با دمای صفر مطلق متناظر است.

عکس پیدا نشد

مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی

همانطور که در مباحث فوق عنوان شد، مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی معنای روشن و قاطعی دارد، در میان ترازهای انرژی هر دستگاه کوانتومی ترازی وجود دارد که با پایینترین انرژی متناظر است و در مثال ما ، این حالت حالتی است که اسپین همه الکترونها در راستای مخالف میدان قرار می‌گیرند. در صفر مطلق ، دستگاه در حالت پایه است، از اینرو نمی‌تواند به دستگاه دیگری انرژی انتقال دهد، دقیقا بدین سبب که تراز پایینتری وجود ندارد که بعد از ، از دست دادن انرژی به آن انتقال یابد.

دست نیافتنی بودن صفر مطلق

هر کسی می‌داند که دمای جسم را نمی‌توان تا صفر مطلق پایین آورد، هر چند می‌توان به آن نزدیک شد. برای اینکه دمای جسمی را تا صفر مطلق پایین بیاوریم لازم است مقداری متناهی گرما از آن بگیریم. برای اینکار از چرخه کارنو استفاده می‌کنیم:

T₁/T₂ = φ₁/φ₂

بدیهی است که در این نظر در چرخه کارنو مقدار گرما یا دما مطرح نیست، بلکه نسبت آنها مهم است. اکنون دیگر مشکل نیست که بفهمیم چرا برای پایین آوردن دمای جسمی تا صفر مطلق باید تعداد بی شماری مراحل را پشت سر گذاشت. هر مرحله می‌تواند یک چرخه بسته یا یک فرآیند تک ، مثل انبساط بی دررو گاز در حال سرد شدن باشد. در هر مرحله مقداری متناهی کار انجام می‌گیرید و دما به نسبت متناهی پایین می‌آید. از آنجا که هر مرحله مدت زمانی طول می‌کشد، زمان لازم برای پایین آوردن دمای جسم تا صفر مطلق لزوما نامتناهی است.

صفر مطلق و نظریه جنبشی گازها

می‌توان پرسید که آیا دست نیافتنی بودن صفر مطلق در نظریه جنبشی گازها متفاوت است، آیا کسی می‌تواند اسپین همه الکترونها را به حالت پایه پایین بیاورد (به عنوان مثال ، آنقدر صبر کند که همه فزونی انرژیشان را تابش کنند. اما این سوال چیزی را روشن نمی‌کند. اگر دستگاه در یک فضای تهی نامتناهی بود و انرژیِ تابشی از آن برای همیشه دور می‌شود، اسپینها به یقین همه انرژیشان را از دست می‌دادند و دستگاه به حالتی متناظر با صفر مطلق می‌رسید. اما دستگاه در داخل حجمی باشد که دیواره‌های آن در دمای ثابت نگه داشته می‌شود، آنگاه دستگاه دارای دمای دیواره‌ها می‌شود، در این صورت ممکن نیست بدون انجام دادن کار این دما را پایینتر آورد.

مباحث مرتبط با عنوان

گاز کامل

علوم طبیعت > فیزیک > حرارت و ترمودینامیک > ترمودینامیک
علوم طبیعت > فیزیک > حرارت و ترمودینامیک > مکانیک سیالات

(cached)

گاز کامل گازی را گویند که تغییرات فشار ، دما و حجم آن تابع قانون گازها می‌باشد (تعریف ماکروسکوپی).
گاز کامل گازی را گویند که ذرات گاز همانند نقاط مادی بدون اثر بر یکدیگر باشند (تعریف میکروسکوپی).

نگاه اجمالی

گاز ، خوش رفتارترین ماده برای دماسنجی است زیرا نسبت فشار P یک گاز در هر دما به فشار P_tp همان گاز در نقطه سه گانه ، هنگامی که P و P_tp هر دو به سمت صفر میل می‌کنند به مقداری نزدیک می‌شود که مستقل از ماهیت گازی است. مقدار حدی این نسبت ضربدر 273.16K ، به عنوان دمای گاز کامل سیستم θ₁ ، که در آن فشار گاز برابر P است تعریف شده ، دلیل این رفتار منظم را می‌توان با بررسی چگونگی وابستگی حاصلضرب PV یک گاز به چگالی یا ، اگر جرم ثابت باشد بر عکس حجم پیدا کرد. در مورد یک گاز حقیقی تنها هنگامی که فشار به سمت صفر میل می‌کند، معادله حالت بصورت PV = nRθ در می‌آید. علاوه بر این انرژی داخلی یک گاز حقیقی تابعی از فشار و دماست.

انرژی درونی گاز کامل

ظرفی را که از نظر حرارتی عایق است و دیواره‌های آن صلب هستند در نظر بگیرید. این ظرف توسط یک تیغه به دو بخش تقسیم شده است. فرض کنید که یک قسمت پر از گاز و قسمت دیگر خالی باشد اگر تیغه برداشته شود، گاز دستخوش فرآیندی موسوم به انبساط خواهد شد که در حین آن هیچ کاری انجام نمی‌گیرد و هیچ حرارتی منتقل نمی‌شود. چون φ و W هر دو صفرند، از قانون اول نتیجه می‌شود که انرژی داخلی در طی یک انبساط آزاد بدون تغییر باقی می‌ماند. انرژی داخلی یک گاز کامل عبارت است از مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل تک‌تک ذرات تشکیل دهنده گاز می‌باشد. در گاز کامل ذرات نسبت به هم فاقد انرژی پتانسیل هستند. پس تنها انرژی گاز کامل تنها مربوط به انرژی جنبشی ذرات آن می‌باشد.

^-E = NK و (E = N (3/2 KT

و نیز انرژی درونی گاز کامل فقط تابع دمای مطلق گاز می‌باشد.

E₀/E₁ = T₂/T₁

تغییر انرژی درونی گاز کامل نیز چنانچه گفته شد برابر است با ΔE = W + α یعنی تغییر انرژی درونی یک دستگاه برابر است با کار و گرمای مبادله شده بین دستگاه و محیط. اما اگر دستگاه کار یا گرما دریافت کند اندازه آنها مثبت و اگر کار و گرما از دست بدهد اندازه آنها منفی خواهد بود.

ویژگی گاز کامل

چنانچه بیان شد در مورد یک گاز حقیقی ، تنها هنگامی که فشار به سمت صفر میل می‌کند، معادله حالت بصورت PV = nRθ درمی‌آید. علاوه بر این انرژی درونی یک گاز حقیقی تابعی از فشار و دماست. بهتر است در این مرحله یک گاز کامل تعریف کنیم که ویژگیهای آن در عین حال که نظیر ویژگیهای هیچیک از گازهای موجود نیست، تقریبا همان ویژگیهای یک گاز حقیقی در فشارهای پایین است. طبق تعریف در مورد یک گاز کامل معادلات زیر صادقند:

PV = nRθ ------------> (∂u/∂v)_θ=0

فقط dV/dp)_θ=0 ------------> Vt_θ

اینکه آیا می‌توان یک گاز حقیقی را مانند یک گاز کامل مورد بررسی قرار داد یا نه؟ بستگی به قابل قبول بودن خطای ناشی از اینکار در این محاسبه معین دارد. یک گاز حقیقی در فشارهای کمتر از حدود 2 اتمسفر را می‌توان با خطایی کمتر از چند درصد همچون یک گاز کامل تلقی کرد. حتی بخار اشباع شده‌ای که با مایع خود در حال تعادل است، اگر فشار بخار کم باشد می‌توان معادله حالت گاز را با خطای اندکی بکار برد.

تعیین تجربی ظرفیتهای گرمایی

ظرفیتهای گرمایی گازها با روش الکتریکی اندازه گیری می‌شوند. برای اندازه گیری C_v گاز در داخل یک فلاسک با دیواره‌های نازک فولادی که دور آن یک سیم گرمکن پیچیده شده است قرار می‌گیرد. با برقرار کردن یک جریان الکتریکی در سیم ، مقداری گرما به گاز داده می‌شود و گرمای ویژه در حجم ثابت با اندازه گیری افزایش دمای گاز بدست می‌آید.

روش مشابهی برای اندازه گیری C_P بکار می‌رود با این تفاوت که بجای محدود کردن گاز در یک حجم ثابت ، به گاز اجازه داده می‌شود که در فشار ثابت از میان یک گرماسنج که در آنجا گاز به طریق الکتریکی مقدار معلومی گرما در واحد زمان دریافت می‌دارد، جریان یابد. با استفاده از دماهای اولیه (ورودی) و نهایی (خروجی) سرعت تولید گرما و سرعت جریان گاز ، مقدار C_p محاسبه می‌شود. نتایج اینگونه اندازه گیریها بر روی گازها در فشارهای پایین (گازهای تقریبا کامل) می‌توان بصورت ساده‌ای برحسب ظرفیتهای گرمایی مولی بیان کرد.

تمام گازها

C_v تابعی فقط از θ است.
C_p فقط تابعی از θ است و بزرگتر از C_v است.
C_p – C_v = Const = R
1 < ( تابعی فقط از = γ= C_p /C_v

گازهای تک اتمی ، مانند He ، Ne و A و بیشتر بخارهای فلزات ، مانند بخارهای Na ، Cd و Hg

HC_v در گستره وسیعی از دما ثابت ، و تقریبا مساوی R 2/3 است.
HC_p در گستره وسیعی از دما ثابت ، و تقریبا مساوی با R 5/2 است.

H γ در گستره وسیعی از دما ثابت و تقریبا مساوی 3/5 R است.

گازهای به اصطلاح دو اتمی دائمی مانند H₂ ، D₂ ، O₂ ، N₂ ، No و CO

C_v در دمای معمولی ثابت و تقریبا برابر 5/2R است و با ازدیاد دما افزایش می‌یابد.
C_p در دمای معمولی ثابت و تقریبا برابر 2R/7 است و با ازدیاد دما افزایش می‌یابد.
γ در دماهای معمولی ثابت و تقریبا مساوی 7/5 است و با ازدیاد دما کاهش می‌یابد.

گازهای چند اتمی و گازهایی که از نظر شیمیایی فعال هستند. مانند CO₂ و NH₃ و CH₄ و CL₂ و Br₂

C_p و C_v و C_p/ C_v با دما نغییر می‌کنند. این تغییر برای هر گاز متفاوت است.

معادله حالت یک گاز کامل

فرضیه‌های اساسی نظریه جنبشی یک گاز کامل عبارتند از :

هر نمونه کوچکی از گاز شامل تعداد بسیار زیاد N مولکول است تمام مولکولهای یک نوع ماده شیمیایی مشابه‌اند. اگر m جرم هر مولکول باشد جرم کل mN است. اگر m بیانگر جرم مولکولی بر حسب کیلوگرم بر کیلومول (که قبلا به آن وزن مولکولی می‌گفتند) باشد تعداد گرم مول‌های n عبارت است از:

n = mN/m

تعداد مولکولها در هر مول گاز ، عدد آووگادرو ، N_A ، خوانده می‌شود.

مول/ مولکول N_A = 6.022×10²³

فرض می‌شود که مولکولهای یک گاز کامل ، شبیه به گویهای کوچک و بیضی بوده که در حرکت دائم کاتوره‌ای هستند. در گستره دما و فشار یک گاز کامل میانگین فاصله بین مولکولهای مجاور در مقایسه با اندازه یک مولکول ، زیاد است. قطر یک مولکول در حدود ^10-10×2 یا ^10-10×3 است. تحت شرایط متعارفی ، میانگین فاصله مولکولها حدود 50 برابر قطر آنهاست.
فرض می‌شود که مولکولهای یک گاز کامل هیچ نیروی جاذبه یا دافعه بر روی مولکولهای دیگر بجز در مواردی که با یکدیگر و با یک دیواره برخورد می‌کنند، وارد نمی‌سازند. بین برخوردها مولکولها دارای حرکت مستقیم الخط یکنواخت‌اند.
قسمتی از دیواره که یک مولکول با آن برخورد می‌کند صاف در نظر گرفته می‌شود و برخورد کاملا کشسان فرض می‌شود. اگر W سرعت یک مولکول نزدیک شونده به یک دیواره باشد، فقط مقدار مولفه عمودی سرعت W_vertical ، در اثر برخورد به دیواره تغییر می‌کند و از به W_vertical به W_vertical- می‌رسد. این امر ، یک تغییر کلی مساوی با 2W_vertical- در سرعت به بار می‌آورد.
اگر هیچ میدان نیروی خارجی وجود نداشته باشد، مولکولها بطور یکنواخت در تمام ظرف توزیع می‌شوند چگالی مولکولی N/V ثابت فرض می‌شود. بطوری که در هر عنصر کوچک حجم d_V ، تعداد d_N مولکول وجود دارد که برابر است با:

d_N = N/V.d_V

عنصر بی‌نهایت d_V ، در نظریه جنبشی باید دارای همان شرایط باشد که در ترمودینامیک دارد. یعنی نسبت به V کوچک باشد و در عین حال آنقدر بزرگ باشد که d_N را عدد بزرگی بسازد. اگر به عنوان مثال ، 1cm³ حجم ، شامل 10¹³ مولکول باشد، یک میلیونیم یک سانتیمتر مکعب شامل 10¹³ مولکول است و شرایط یک عنصر دیفرانسیلی حجم را دارد.

سرعت همه مولکولها یکسان نیست. در هر لحظه بعضی از مولکولها آهسته و برخی سرعت نور دانست، از آنجا که بیشتر سرعتهای مولکولی خیلی سریع حرکت می‌کنند بطوری که گستره سرعتها را می‌توان بین صفر و سرعت نور دانست. از آنجا که بیشتر سرعتهای مولکولی خیلی پایینتر از سرعت نور هستند، هیچ خطایی در انتگرال گیری سرعت از 0 تا ∞ بوجود نمی‌آید. اگر dN_V معرف تعداد مولکولهای با سرعت بین W و W + dW باشد، فرض می شود که مقدار آن ثابت باقی بماند. هر چند که مولکولها دائما در حال برخورد و تغییر هستند.