و متساوي عملية أو متساوي الحرارة هي عملية الحرارية عكسها فيها درجة الحرارة تبقى ثابتة. في الغاز ، هناك حالات لا يؤدي فيها التغيير في النظام إلى تغيرات في درجة الحرارة ، ولكنه يحدث في الخصائص الفيزيائية.
هذه التغييرات هي تغيرات المرحلة ، عندما تتغير المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة ، ومن السائل إلى الغاز أو العكس. في مثل هذه الحالات ، تقوم جزيئات المادة بتعديل موضعها بإضافة أو استخراج الطاقة الحرارية.
الشكل 1. ذوبان رقاقات الثلج هي مثال على عملية متساوية الحرارة. المصدر: Pixabay.
تسمى الطاقة الحرارية اللازمة لتغيير الطور في مادة ما بالحرارة الكامنة أو حرارة التحول.
تتمثل إحدى طرق إجراء عملية متساوية الحرارة في وضع المادة التي سيكون النظام قيد الدراسة على اتصال مع خزان حراري خارجي ، وهو نظام آخر له سعة كبيرة من السعرات الحرارية. بهذه الطريقة يحدث التبادل الحراري ببطء شديد بحيث تظل درجة الحرارة ثابتة.
يحدث هذا النوع من العمليات بشكل متكرر في الطبيعة. على سبيل المثال ، في البشر عندما ترتفع درجة حرارة الجسم أو تنخفض نشعر بالمرض ، لأن العديد من التفاعلات الكيميائية في أجسامنا التي تحافظ على الحياة تحدث عند درجة حرارة ثابتة. هذا صحيح بالنسبة للحيوانات ذوات الدم الحار بشكل عام.
ومن الأمثلة الأخرى الثلج الذي يذوب في الحرارة عند وصول الربيع ومكعبات الثلج التي تبرد المشروب.
- يتم التمثيل الغذائي للحيوانات ذوات الدم الحار عند درجة حرارة ثابتة.
الشكل 2. تمتلك الحيوانات ذوات الدم الحار آليات للحفاظ على ثبات درجة الحرارة. المصدر: ويكيميديا كومنز.
- عندما يغلي الماء ، يحدث تغير في الطور ، من سائل إلى غاز ، وتظل درجة الحرارة ثابتة عند حوالي 100 درجة مئوية ، حيث قد تؤثر العوامل الأخرى على القيمة.
- ذوبان الجليد هو عملية متساوية الحرارة شائعة أخرى ، مثل وضع الماء في الفريزر لصنع مكعبات الثلج.
- تعمل محركات السيارات ، والثلاجات ، والعديد من أنواع الآلات الأخرى بشكل صحيح في نطاق درجة حرارة معينة. يتم استخدام أجهزة تسمى منظمات الحرارة للحفاظ على درجة الحرارة المناسبة. يتم استخدام مبادئ التشغيل المختلفة في تصميمه.
دورة كارنو
محرك Carnot هو آلة مثالية يتم من خلالها الحصول على العمل بفضل العمليات القابلة للعكس تمامًا. إنها آلة مثالية لأنها لا تأخذ في الاعتبار العمليات التي تبدد الطاقة ، مثل لزوجة المادة التي تؤدي العمل ، ولا الاحتكاك.
تتكون دورة كارنو من أربع مراحل ، اثنتان منها متساويتان على وجه التحديد والاثنتان الأخريان ثابتتان. المراحل متساوي الحرارة هي ضغط وتمدد الغاز المسؤول عن إنتاج عمل مفيد.
محرك السيارة يعمل على نفس المبادئ. تنتقل حركة المكبس داخل الأسطوانة إلى أجزاء أخرى من السيارة وتنتج حركة. ليس لديها سلوك نظام مثالي مثل محرك كارنو ، لكن مبادئ الديناميكا الحرارية شائعة.
حساب العمل المنجز في عملية متساوية الحرارة
لحساب الشغل الذي يقوم به نظام عندما تكون درجة الحرارة ثابتة ، يجب أن نستخدم القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على:
هذه طريقة أخرى للتعبير عن الحفاظ على الطاقة في النظام ، يتم تقديمها من خلال ΔU أو التغيير في الطاقة ، Q مثل الحرارة المزودة وأخيراً W ، وهو العمل الذي يقوم به النظام المذكور.
لنفترض أن النظام المعني هو غاز مثالي موجود في أسطوانة مكبس متحرك في المنطقة A ، يقوم بعمل عندما يتغير حجمه V من V 1 إلى V 2.
الشكل 3. في عملية متساوية الحرارة ، يتمدد الغاز في المكبس دون تغيير درجة الحرارة. المصدر: youtube.
معادلة الغاز المثالية للحالة هي PV = nRT ، والتي تتعلق بالحجم بالضغط P ودرجة الحرارة T. قيم n و R ثابتة: n هو عدد مولات الغاز و R هو ثابت الغازات. في حالة وجود عملية متساوية الحرارة ، يكون منتج الكهروضوئية ثابتًا.
حسنًا ، يتم حساب الشغل المنجز من خلال دمج عمل تفاضلي صغير ، حيث تنتج القوة F إزاحة صغيرة dx:
نظرًا لأن Adx هو بالضبط تباين الحجم dV ، إذن:
للحصول على إجمالي العمل في عملية متساوية الحرارة ، نقوم بدمج تعبير dW:
يتم رسم الضغط P والحجم V على مخطط PV مثل الرسم الموضح في الشكل ، والعمل المنجز يساوي المساحة الموجودة أسفل المنحنى:
الشكل 4. رسم بياني PV لعملية متساوي الحرارة. المصدر: ويكيميديا كومنز.
نظرًا لأن ΔU = 0 نظرًا لأن درجة الحرارة تظل ثابتة ، في عملية متساوية الحرارة لدينا:
- التمرين 1
تحتوي الأسطوانة المزودة بمكبس متحرك على غاز مثالي عند 127 درجة مئوية. إذا تحرك المكبس لتقليل الحجم الأولي 10 مرات ، مع الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة ، فأوجد عدد مولات الغاز الموجودة في الأسطوانة ، إذا كان الشغل المبذول على الغاز 38180 ج.
البيانات: R = 8.3 جول / مول. ك
المحلول
ينص البيان على أن درجة الحرارة تظل ثابتة ، لذلك نحن في وجود عملية متساوية الحرارة. بالنسبة للعمل المنجز على الغاز ، لدينا المعادلة التي تم استنتاجها مسبقًا:
127 º C = 127 + 273 ك = 400 ك
حل من أجل n ، عدد المولات:
n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8.3 J / mol. K x 400 K x ln (V 2 / 10V 2) = 5 مول
سبق العمل بعلامة سلبية. سيلاحظ القارئ اليقظ في القسم السابق أن W تم تعريفه على أنه "عمل قام به النظام" وله علامة +. لذا فإن "العمل المنجز على النظام" له علامة سلبية.
- تمرين 2
لديك هواء في اسطوانة مزودة بمكبس. في البداية يوجد 0.4 متر مكعب من الغاز عند ضغط 100 كيلوباسكال ودرجة حرارة 80 درجة مئوية. يتم ضغط الهواء إلى 0.1 م 3 لضمان ثبات درجة الحرارة داخل الأسطوانة أثناء العملية.
حدد مقدار العمل المنجز أثناء هذه العملية.
المحلول
نستخدم معادلة العمل المشتق سابقًا ، لكن عدد المولات غير معروف ، ويمكن حسابه باستخدام معادلة الغاز المثالية:
80 º C = 80 + 273 ك = 353 ك.
P 1 V 1 = nRT → n = P 1 V 1 / RT = 100000 باسكال × 0.4 م 3 /8.3 جول / مول. K x 353 K = 13.65 مول
W = nRT ln (V 2 / V 1) = 13.65 مول × 8.3 جول / مول. ك × 353 ك × ln (0.1 /0.4) = -55.442.26 جول
مرة أخرى ، تشير العلامة السالبة إلى أن العمل قد تم على النظام ، والذي يحدث دائمًا عند ضغط الغاز.
المراجع
- باور ، دبليو 2011. فيزياء الهندسة والعلوم. المجلد 1. ماك جراو هيل.
- Cengel، Y.2012. الديناميكا الحرارية. 7 أماه الطبعة. ماكجرو هيل.
- فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 4. السوائل والديناميكا الحرارية. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
- Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي.
- Serway، R.، Vulle، C. 2011. أساسيات الفيزياء. 9 غ Cengage التعلم.
- ويكيبيديا. عملية متساوية الحرارة. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org.