فرآیند ترمودینامیکی چیست؟ راهنمای جامع انواع، قوانین و کاربردها
هر سیستمی وقتی دچار یک فرآیند ترمودینامیکی می‌شود که نوعی تغییر انرژی در آن رخ دهد. این تغییرات معمولاً با تغییر در فشار، حجم، انرژی درونی، دما یا هر نوع انتقال حرارت مرتبط هستند. در واقع، فرآیندهای ترمودینامیکی نمایانگر تغییرات اساسی در حالت فیزیکی و انرژی یک سیستم می‌باشند. درک این فرآیندها برای تحلیل و پیش‌بینی رفتار سیستم‌های مختلف، از موتورهای حرارتی گرفته تا یخچال‌ها، ضروری است. بررسی فرآیندهای ترمودینامیکی به ما کمک می‌کند تا نحوه تبادل انرژی و کار بین سیستم و محیط اطراف آن را بهتر بشناسیم.
انواع اصلی فرآیندهای ترمودینامیکی
در علم ترمودینامیک، انواع خاصی از فرآیندهای ترمودینامیکی وجود دارند که به دلیل تکرار زیاد و کاربردهای عملی، مورد توجه قرار می‌گیرند. هر یک از این فرآیندها ویژگی منحصر به فردی دارند که آن‌ها را از هم متمایز می‌کند و در تحلیل تغییرات انرژی و کار مرتبط با فرآیندها بسیار مفید است.
- فرآیند آدیاباتیک: فرآیندی که در آن هیچ انتقال حرارتی به داخل یا خارج از سیستم صورت نمی‌گیرد.
- فرآیند ایزوکوریک (حجم ثابت): فرآیندی که در آن حجم سیستم ثابت می‌ماند و در نتیجه، سیستم هیچ کاری انجام نمی‌دهد.
- فرآیند ایزوباریک (فشار ثابت): فرآیندی که در آن فشار سیستم ثابت می‌ماند.
- فرآیند ایزوترمال (دما ثابت): فرآیندی که در آن دمای سیستم ثابت می‌ماند.
گاهی اوقات ممکن است چندین فرآیند ترمودینامیکی به طور همزمان در یک سیستم رخ دهند. برای مثال، ممکن است در فرآیندی حجم و فشار تغییر کنند، اما دما و انتقال حرارت ثابت باقی بمانند. در این صورت، فرآیند هم آدیاباتیک و هم ایزوترمال خواهد بود. درک این فرآیندهای ترمودینامیکی برای مهندسان و فیزیکدانان حیاتی است، زیرا به آن‌ها امکان می‌دهد تا سیستم‌های مختلف را طراحی و تحلیل کنند.
قانون اول ترمودینامیک
قانون اول ترمودینامیک، که به قانون بقای انرژی نیز معروف است، بیان می‌کند که انرژی در یک سیستم منزوی ثابت می‌ماند و فقط می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود. این قانون را می‌توان به صورت ریاضی به شکل زیر بیان کرد:
ΔU = Q - W یا Q = ΔU + W
که در آن:
- ΔU = تغییرات انرژی داخلی سیستم
- Q = گرمای منتقل شده به سیستم یا از آن
- W = کار انجام شده توسط سیستم یا روی آن
هنگام تحلیل فرآیندهای ترمودینامیکی خاصی که قبلاً ذکر شد، اغلب (البته نه همیشه) به نتیجه بسیار مفیدی می‌رسیم: یکی از این کمیت‌ها به صفر می‌رسد! این ساده‌سازی، تحلیل فرآیند ترمودینامیکی را بسیار آسان‌تر می‌کند.
به عنوان مثال، در یک فرآیند آدیاباتیک، هیچ انتقال حرارتی وجود ندارد، بنابراین Q = 0 و رابطه بین انرژی داخلی و کار به شکل بسیار ساده‌ای در می‌آید: ΔU = -W. برای اطلاعات بیشتر در مورد ویژگی‌های خاص هر فرآیند، به تعاریف مربوطه مراجعه کنید. قانون اول ترمودینامیک و درک آن برای تحلیل فرآیندهای ترمودینامیکی مختلف، از جمله فرآیندهای صنعتی و طبیعی، اساسی است.
فرآیندهای برگشت‌پذیر
اکثر فرآیندهای ترمودینامیکی به طور طبیعی از یک جهت به جهت دیگر پیش می‌روند. به عبارت دیگر، آن‌ها یک جهت ترجیحی دارند. برای مثال، گرما از جسم گرم‌تر به جسم سردتر جریان می‌یابد. گازها منبسط می‌شوند تا یک اتاق را پر کنند، اما به طور خود به خود منقبض نمی‌شوند تا فضای کوچکتری را پر کنند. انرژی مکانیکی می‌تواند به طور کامل به گرما تبدیل شود، اما تبدیل کامل گرما به انرژی مکانیکی تقریباً غیرممکن است.
با این حال، برخی از سیستم‌ها فرآیندهای برگشت‌پذیر را تجربه می‌کنند. این معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که سیستم همواره نزدیک به تعادل حرارتی باشد، هم در داخل خود سیستم و هم با محیط اطراف. در این حالت، تغییرات بسیار کوچک در شرایط سیستم می‌تواند باعث شود که فرآیند در جهت مخالف حرکت کند. به همین دلیل، یک فرآیند برگشت‌پذیر به عنوان یک فرآیند تعادلی نیز شناخته می‌شود.
مثال 1: دو فلز (A و B) در تماس حرارتی و تعادل حرارتی هستند. فلز A به مقدار بسیار کمی گرم می‌شود، به طوری که گرما از آن به فلز B جریان می‌یابد. این فرآیند می‌تواند با خنک کردن فلز A به مقدار بسیار کمی معکوس شود، در این صورت گرما از فلز B به فلز A جریان می‌یابد تا زمانی که دوباره در تعادل حرارتی قرار گیرند.
مثال 2: یک گاز به آرامی و به صورت آدیاباتیک در یک فرآیند برگشت‌پذیر منبسط می‌شود. با افزایش فشار به مقدار بسیار کمی، همان گاز می‌تواند به آرامی و به صورت آدیاباتیک به حالت اولیه خود متراکم شود.
لازم به ذکر است که این مثال‌ها تا حدودی ایده‌آل هستند. در عمل، سیستمی که در تعادل حرارتی است، پس از اعمال یکی از این تغییرات، از تعادل حرارتی خارج می‌شود... بنابراین فرآیند در واقع کاملاً برگشت‌پذیر نیست. این یک مدل ایده‌آل از چگونگی وقوع چنین وضعیتی است، اگرچه با کنترل دقیق شرایط آزمایشگاهی، می‌توان فرآیندی را انجام داد که بسیار نزدیک به حالت کاملاً برگشت‌پذیر باشد. درک فرآیندهای برگشت‌پذیر به ما کمک می‌کند تا محدودیت‌های فرآیندهای ترمودینامیکی واقعی و مفهوم راندمان را بهتر درک کنیم.
فرآیندهای برگشت‌ناپذیر و قانون دوم ترمودینامیک
بیشتر فرآیندهای ترمودینامیکی در طبیعت، فرآیندهای برگشت‌ناپذیر (یا فرآیندهای غیر تعادلی) هستند. استفاده از اصطکاک لنت‌های ترمز برای کاهش سرعت خودرو یک فرآیند برگشت‌ناپذیر است. رها شدن هوا از یک بادکنک در اتاق یک فرآیند برگشت‌ناپذیر است. قرار دادن یک قطعه یخ روی یک پیاده‌روی سیمانی داغ یک فرآیند برگشت‌ناپذیر است.
به طور کلی، این فرآیندهای برگشت‌ناپذیر نتیجه قانون دوم ترمودینامیک هستند که اغلب بر اساس مفهوم آنتروپی، یا بی‌نظمی، یک سیستم تعریف می‌شود. قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که در هر فرآیند خود به خودی، آنتروپی سیستم (و در واقع کل جهان) همواره افزایش می‌یابد.
روش‌های مختلفی برای بیان قانون دوم ترمودینامیک وجود دارد، اما اساساً این قانون محدودیتی برای میزان کارآمدی هر انتقال حرارت ایجاد می‌کند. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، همیشه مقداری گرما در این فرآیند از دست می‌رود، به همین دلیل است که داشتن یک فرآیند کاملاً برگشت‌پذیر در دنیای واقعی امکان‌پذیر نیست. این اتلاف گرما به دلیل عواملی مانند اصطکاک و مقاومت الکتریکی رخ می‌دهد. درک قانون دوم ترمودینامیک برای طراحی سیستم‌هایی که حداکثر بازدهی را داشته باشند، بسیار مهم است.
موتورهای حرارتی، پمپ‌های حرارتی و سایر دستگاه‌ها
به هر دستگاهی که گرما را تا حدی به کار یا انرژی مکانیکی تبدیل کند، موتور حرارتی می‌گوییم. یک موتور حرارتی این کار را با انتقال گرما از یک مکان به مکان دیگر انجام می‌دهد و در این فرآیند، مقداری کار نیز انجام می‌دهد.
با استفاده از علم ترمودینامیک، می‌توان بازده حرارتی یک موتور حرارتی را تحلیل کرد، و این موضوعی است که در اکثر دوره‌های مقدماتی فیزیک پوشش داده می‌شود. در اینجا چند موتور حرارتی که اغلب در دوره‌های فیزیک مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند، آورده شده است:
- موتور احتراق داخلی: موتوری که با سوخت کار می‌کند، مانند موتورهای مورد استفاده در خودروها. "سیکل اتو" فرآیند ترمودینامیکی یک موتور بنزینی معمولی را تعریف می‌کند. "سیکل دیزل" به موتورهای دیزلی اشاره دارد.
- یخچال: یک موتور حرارتی معکوس که گرما را از یک مکان سرد (داخل یخچال) می‌گیرد و آن را به یک مکان گرم (خارج یخچال) منتقل می‌کند.
- پمپ حرارتی: یک پمپ حرارتی نوعی موتور حرارتی است، شبیه به یخچال، که برای گرم کردن ساختمان‌ها با خنک کردن هوای بیرون استفاده می‌شود.
درک اصول کار این دستگاه‌ها و تحلیل ترمودینامیکی آن‌ها، نقش مهمی در طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های مختلف دارد.
سیکل کارنو
در سال 1824، مهندس فرانسوی سادی کارنو، یک موتور ایده‌آل و فرضی را طراحی کرد که حداکثر بازده ممکن را با توجه به قانون دوم ترمودینامیک داشت. او به معادله زیر برای بازده خود، eCarnot، رسید:
eCarnot = (TH - TC) / TH
در اینجا TH و TC به ترتیب دمای منبع گرم و منبع سرد هستند. با یک اختلاف دمای بسیار زیاد، بازده بالایی به دست می‌آورید. اگر اختلاف دما کم باشد، بازده پایین می‌آید. فقط در صورتی بازده 1 (بازده 100٪) به دست می‌آورید که TC = 0 (یعنی صفر مطلق) باشد که این امر غیرممکن است. بنابراین، سیکل کارنو یک محدودیت نظری برای بازده موتورهای حرارتی تعیین می‌کند و نشان می‌دهد که حتی بهترین موتورها نیز نمی‌توانند به بازده 100٪ برسند.
- فیزیک
- علم
