Qanûna Yekem a Termodînamîkê Materyal
Pêvajoya Termodînamîk
Germahî (Q) enerjiya ku ji ber cudahiya germahiyê ji tiştekî ber bi tiştekî din ve diçe ye. Di têkiliya bi sîstem û jîngehê re, germ dikare wekî enerjiya ku ji sîstemê ber bi jîngehê ve diçe an jî enerjiya ku ji jîngehê ber bi sîstemê ve ji ber cudahiya germahiyê diçe tê hesibandin. Ger germahiya sîstemê ji germahiya jîngehê bilindtir be, germ dê ji sîstemê ber bi jîngehê ve biherike. Berevajî vê, ger germahiya jîngehê ji germahiya sîstemê bilindtir be, germ dê ji jîngehê ber bi sîstemê ve biherike.
Eger germahî (Q) bi veguhestina enerjiyê ya ji ber cudahiya germahiyê ve girêdayî be, wê demê Kar (W) bi veguhestina enerjiyê ve girêdayî ye ku bi rêbazên mekanîkî çêdibe. Bo nimûne, heke pergalek li ser jîngehê kar bike, wê hingê enerjî dê bixweber ji pergalê ber bi jîngehê ve biçe. Berevajî vê, heke jîngeh li ser pergalê kar bike, wê hingê enerjî dê ji jîngehê ber bi pergalê ve biçe.
Nimûneyek hêsan a veguhestina enerjiyê di navbera sîstemekê û derdora wê de ku germahî û kar tê de heye, buhara germ e ku qapaxa tenûrekê dixe. Hebûna germê dibe sedema ku sîstem (buhar) qapaxa tenûrekê bixe (buhar li ser jîngehê kar dike). Ev yek mînakek ji guherîna rewşa sîstemekê ye ji ber veguhestina enerjiyê di navbera sîstemekê û derdora wê de. Gelek mînakên din jî hene. Guherînên di rewşa sîstemekê de ji ber veguhestina enerjiyê di navbera sîstemekê û derdora wê de ku germahî û kar tê de heye, pêvajoyên termodînamîk têne binavkirin.
Enerjiya Navxweyî û Qanûna Yekem a Termodînamîkê
Enerjiya navxweyî (U) ya sîstemekê, berhevoka hemû enerjiyên kînetîk ên molekulên di sîstemê de ye, û berhevoka hemû enerjiyên potansiyel ên ku ji ber têkiliyên di navbera molekulên di sîstemê de derdikevin holê ye. Em texmîn dikin ku heke germ ji derdorê ber bi sîstemê ve biherike (sîstem enerjiyê distîne), enerjiya di sîstemê de zêde dibe… Berevajî vê, heke sîstem li ser derdorê kar bike (sîstem enerjiyê berdide), enerjiya di sîstemê de kêm dibe.
Ji ber vê yekê, li ser bingeha prensîba parastina enerjiyê, dikare were encam kirin ku guherîna enerjiyê di pergalê de = Germahiya ku li pergalê tê zêdekirin (sîstem enerjiyê distîne) – Karê ku ji hêla pergalê ve tê kirin (sîstem enerjiyê berdide). Bi awayekî matematîkî:
Ev hevkêşe ji bo pergaleke girtî derbas dibe (Pergaleke girtî ew pergal e ku tenê dihêle ku danûstandina enerjiyê di navbera pergal û hawîrdorê de çêbibe). Ji bo pergaleke girtî ya îzolekirî, ti enerjî nakeve nav pergalê û jê dernakeve, ji ber vê yekê, guherîna enerjiya navxweyî = 0 e.
Ev hevkêşe ji bo pergalên vekirî jî derbas dibe ger em guhertinên enerjiyê di pergalê de ji ber zêdekirin û kêmkirina mîqdara madeyê li ber çavan bigirin (Sîstemeke vekirî ew sîstem e ku destûrê dide danûstandina made û enerjiyê di navbera pergalê û jîngehê de). Qanûna yekem a termodînamîkê di sedsala nozdehan de hate formulekirin, piştî ku germahî wekî enerjiya ku ji ber cûdahiyên germahiyê tê veguheztin hate fêmkirin.
Enerjiya navxweyî mîqdarek e ku rewşa mîkroskopîk a sîstemekê vedibêje. Mîqdara ku rewşa mîkroskopîk a sîstemekê vedibêje (enerjiya navxweyî) rasterast nayê destnîşankirin. Tiştê ku em di hevkêşeya Qanûna Yekem a Termodînamîkê de analîz dikin tenê guhertina enerjiya navxweyî ye. Guhertinên di enerjiya navxweyî de dikarin ji ber enerjiya ku li sîstemê tê zêdekirin û enerjiya ku ji hêla sîstemê ve bi şiklê germ û kar tê berdan werin destnîşankirin. Berevajî vê, mîqdarên ku rewşên makroskopîk vedibêjin dikarin rasterast werin destnîşankirin. Mîqdarên ku rewşên makroskopîk vedibêjin germahî (T), zext (p), qebare (V), û girse (m) an jî hejmara molan (n) ne. Germahî û kar tenê di pêvajoya veguhastina enerjiyê di navbera sîstemê û derdora wê de cih digirin; ew ne mîqdar in ku rewşa sîstemê vedibêjin.
Rêgezên îmzeyê ji bo Germahî (Q) û Kar (W)
Rêgezên nîşanan ji bo Germahî û Karê li gorî Qanûna Yekem a Termodînamîkê ne. Germahî (Q) di hevkêşeya jorîn de germahiya ku li pergalê tê zêdekirin temsîl dike (Q pozîtîf e), lê Kar (W) di hevkêşeya jorîn de karê ku ji hêla pergalê ve tê kirin temsîl dike (W pozîtîf e). Ger germahî ji pergalê derkeve, wê hingê Q neyînî ye. Berevajî vê, ger li ser pergalê kar were kirin, wê hingê W neyînî ye.
Nimûneya pirsa 1:
Eger 2000 Joul germ li sîstemekê were zêdekirin, di heman demê de ku sîstem 1000 Joul kar dike, guherîna enerjiya navxweyî ya sîstemê çi ye?
Nîqaş
Sîstem germîya (enerjîya) zêde ya 2000 Joule werdigire. Sîstem her wiha karekî (enerjîya berdan) 1000 Joule pêk tîne. Ji ber vê yekê, guherîna enerjiya sîstemê = 1000 Joule ye.
Nimûneya pirsa 2:
Eger 2000 Joule germahî ji sîstemê derkeve û sîstem 1000 Joule kar bike, guherîna enerjiya navxweyî ya sîstemê çi ye?
Nîqaş
Eger germahî ji sîstemê derkeve, ev tê wê wateyê ku nirxek neyînî ya Q heye.
2000 Joul germ ji sîstemê derdikeve (sîstem enerjî berdide). 1000 Joul kar jî tê kirin (sîstem enerjî berdide). Bi vî awayî, enerjiya di sîstemê de 3000 J kêm dibe.
Nimûneya pirsa 3:
Eger 2000 Joul germ li sîstemekê were zêdekirin û 1000 Joul kar li ser sîstemê were kirin, guherîna enerjiya navxweyî ya sîstemê çi ye?
Nîqaş
Eger li ser sîstemê kar bê kirin, wê demê W neyînî ye.
Sîstem germahiyek zêde (sîstem enerjiyê werdigire) ya 2000 Joule werdigire û kar li ser sîstemê (sîstem enerjiyê werdigire) ya 1000 Joule tê kirin. Bi vî awayî, enerjiya di sîstemê de 3000 Joule zêde dibe.
PertamaPiraniya pergalên ku em di vê mijarê de bi teorîkî analîz dikin gaz in. Em gazan bikar tînin ji ber ku taybetmendiyên wan ên makroskopîk (germahî, zext û qebare) hêsantir têne destnîşankirin. Di analîzkirina gazan de, em hîn jî wan wekî gazên îdeal dihesibînin. Ev tenê ji bo hêsankirina analîzê ye. Em gazên rastîn bikar naynin ji ber ku gazên rastîn bi gelemperî di zextên bilind de bi awayekî nelirê tevdigerin.
Duyem, eger sîstema ku em analîz dikin gazeke îdeal be, wê demê enerjiya navxweyî dikare bi karanîna hevkêşeya ku têkiliya di navbera enerjiya navxweyî ya gazeke îdeal û germahiya gaza îdeal de diyar dike were hesibandin: U = 3/2 nRT (hevkêşeya enerjiya navxweyî ya gazeke îdeal a monatomîk).
Karê ku ji hêla sîstemê ve di dema guhertina qebareyê de tê kirin
Berî ku em bêtir biçin, em pêşî karê ku pergal li ser derdora xwe dike binirxînin. Ji bo hesabkirina mîqdara karê ku ji hêla pergalê ve tê kirin (W), gazek îdeal di konteynirek ku bi pistonê ve girtî ye bifikirin. Piston dikare jor û jêr were gerandin. Ev hejmar bi du pîvanan tê hêsankirin. Wê sê-alî bifikirin. Qebare = dirêjahî x firehî x bilindahî.
Gazeke îdeal bi xalên ku di hundirê konteynirekê de ne tê temsîlkirin. Bingeha konteynerê bi tiştekî germahiya bilind re di têkiliyê de ye (mîna ava di tepsiyeke ku li ser agir tê germkirin). Tiştê germahiya bilind di wêneyê de tune ye, tenê di hişê xwe de xeyal bikin 😉 Gaza îdeal a di konteynerê de sîstem e, lê tiştên din ên li derveyî konteynerê, tevî tiştê germahiya bilind ê ku bi binê konteynerê re di têkiliyê de ye, jîngeh in. Ji ber ku germahiya hawîrdorê ji germahiya sîstemê bilindtir e, germ bi xwezayî ji jîngehê ber bi sîstemê ve diherike. Zêdekirina enerjiyê ji jîngehê dibe sedema zêdebûna enerjiya navxweyî ya sîstemê (gaza îdeal). Enerjiya navxweyî ya gazeke îdeal rasterast bi germahiyê re rêjeyî ye (U = 3/2 nRT), ji ber vê yekê dema ku enerjiya navxweyî ya gazeke îdeal zêde dibe, germahiya gazeke îdeal jî zêde dibe. Zêdebûna germahiya gazeke îdeal dibe sedema berfirehbûna gaza îdeal û dûrahiya s-an a pistonê dikişîne. Dema ku pistonê di dûrahiya s-an de dikişîne, sîstem (gaza îdeal) li ser jîngehê (hewaya derve) kar dike.
Di destpêkê de, zexta sîstemê bilind e (P1) û qebareya sîstemê nizm e (V1). Zext bi awayekî berevajî rêjeyî qebareyê ye. Piştî ku germ ji derdorê ber bi pergalê ve diçe û sîstem li ser derdorê kar dike, qebareya sîstemê zêde dibe (V2) û zexta sîstemê kêm dibe (P2).
Mîqdara karê ku ji hêla pergalê ve di pêvajoya jorîn de tê kirin ev e:
Kar (W) = Hêza kişandinê (F) x cihguherîn (s). Ji ber ku hêza kişandinê (F) = zext (P) x rûbera pistonê (A), hevkêşeya Kar dikare wiha were nivîsandin:
W = Fs ‐‐‐‐‐ F = PA
W = PAs ‐‐‐‐‐ Wek = V
W = PV
Girîng e ku were zanîn ku karê ku ji hêla sîstemekê ve tê kirin di dema guherîna qebareyê de çêdibe. Ji ber vê yekê, karê tevahî yê ku ji hêla sîstemê ve tê kirin dikare bi zêdekirina guherîna zextê bi guherîna qebareyê were bidestxistin. Bi awayekî matematîkî:
W = (zexta dawî - zexta destpêkê) (qebareya dawî - qebareya destpêkê)
W = (P2 - P1)(V2 - V1)
Pertama, guhertina qebareya sîstemê di pêvajoya jorîn de bi hêsanî dikare were destnîşankirin. Qebareyên destpêkê û yên dawîn ên sîstemê dikarin bi hesabkirina qebareya konteynerê werin destnîşankirin. Ji ber vê yekê, ji bo hesabkirina mîqdara karê (W) ku ji hêla sîstemê ve tê kirin, divê em bizanin ka zext di dema pêvajoyê de çawa diguhere.
Eger zexta (p) ya sîstemekê bi guhertina qebareyê (V) re bi awayekî ne rêkûpêk biguhere, wê demê mîqdara karê ku ji hêla sîstemê ve tê kirin dikare bi karanîna hesabkirinê were hesibandin. Ger hûn bi hesabkirinê nenas in, alternatîfên din hene ku hûn dikarin bikar bînin. Pêşî, em grafîkekê xêz bikin ku têkiliya di navbera zext û qebareyê de nîşan dide. Mîqdara karê ku ji hêla sîstemê ve tê kirin = qada tarîkirî ya di bin xêza p-V de.
Grafîka zext li hember qebareyê ji bo guhertinên zextê yên ku bi awayekî nerêkûpêk çêdibin.
Zexta destpêkê ya sîstemê = p1 (zexta bilind) û qebareya sîstemê = V1 (qebareya piçûk). Piştî ku sîstem li ser jîngehê kar dike, zexta sîstemê diguhere bo p2 (zexta biçûk) û qebareya sîstemê diguhere bo V2 (qebareya mezin). Mîqdara karê (W) ku ji hêla pergalê ve tê kirin = qada tarîkirî. Şêweya xêzê xêzkirî ye ji ber ku zexta pergalê (gaza îdeal) di dema pêvajoyê de bi awayekî ne rêkûpêk diguhere.
Eger zexta (p) ya sîstemekê dema ku qebare (V) diguhere sabît bimîne, wê demê mîqdara karê ku ji hêla sîstemê ve tê kirin dikare bi hêsanî were hesabkirin. Mîqdara karê ku ji hêla sîstemê ve tê kirin dikare bi karanîna hevkêşeyekê were hesabkirin an jî dikare ji qada tarîkirî ya di bin xêza P-V de were dîtin. Di vê rewşê de, hevkêşeya karê ya jorîn dikare wiha were guhertin:
W = (P2 - P1)(V2 - V1)
Ji ber ku zext (p) her tim sabît e, wê demê P2 = P1 = P
W = P (V2 - V1)
Grafîka zext li hember qebareyê ji bo pêvajoyekê ku zext her tim sabît e, ango naguhere:
Di destpêkê de qebareya pergalê = V1 (qebareya piçûk). Piştî ku sîstem li ser derdorê dixebite, qebareya sîstemê diguhere V2 (qebareya mezin). Zeexta sîstemê her tim sabît e, ango naguhere. Mîqdara karê (W) ku ji hêla sîstemê ve tê kirin = qada tarîkirî.
Duyemîn, sîstem li ser derdorê kar dike ger qebareya sîstemê zêde bibe. Berevajî vê, derdorê li ser pergalê kar dike ger qebareya sîstemê kêm bibe. Ger qebareya sîstemê di dema pêvajoyê de neguhere, sîstem nikare li ser derdorê kar bike, û derdor jî nikare li ser pergalê kar bike. Di vê rewşê de, kar (W) = 0 e.
