در این مقاله به بررسی فرآیندهای ترمودینامیکی می پردازیم. بیایید با انواع و ویژگی های کیفی آنها آشنا شویم و همچنین پدیده فرآیندهای دایره ای را که در نقاط اولیه و نهایی دارای پارامترهای یکسان هستند، مطالعه کنیم.
مقدمه
فرایندهای ترمودینامیکی پدیده‌هایی هستند که در آن یک تغییر ماکروسکوپیک در ترمودینامیک کل سیستم وجود دارد. وجود اختلاف بین حالت اولیه و نهایی را یک فرآیند ابتدایی می نامند، اما لازم است که این تفاوت بی نهایت کم باشد. ناحیه ای از فضایی که این پدیده در آن رخ می دهد، بدن کار نامیده می شود.
بر اساس نوع پایداری، می توان بین تعادلی و غیرتعادلی تفاوت قائل شد. مکانیسم تعادل فرآیندی است که در آن انواع حالت هایی که سیستم از طریق آنها جریان می یابد به حالت تعادل مربوط می شود. اجرای چنین فرآیندهایی زمانی اتفاق می‌افتد که تغییر نسبتاً آهسته پیش می‌رود، یا به عبارت دیگر، این پدیده ماهیتی شبه ساکن دارد.
پدیدهنوع حرارتی را می توان به فرآیندهای ترمودینامیکی برگشت پذیر و غیر قابل برگشت تقسیم کرد. مکانیسم‌های برگشت‌پذیر آن‌هایی هستند که در آنها امکان انجام فرآیند در جهت مخالف، با استفاده از حالت‌های میانی یکسان، محقق می‌شود.
انتقال حرارت آدیاباتیک
راه آدیاباتیک انتقال حرارت یک فرآیند ترمودینامیکی است که در مقیاس کیهان ماکرو اتفاق می افتد. ویژگی دیگر عدم تبادل حرارت با فضای اطراف است.
تحقیق در مقیاس بزرگ در مورد این فرآیند به آغاز قرن هجدهم برمی گردد.
انواع فرآیندهای آدیاباتیک یک مورد خاص از شکل polytropic هستند. این به دلیل این واقعیت است که در این شکل ظرفیت حرارتی گاز صفر است، به این معنی که یک مقدار ثابت است. معکوس کردن چنین فرآیندی تنها در صورتی امکان پذیر است که یک نقطه تعادل در تمام لحظات در زمان وجود داشته باشد. تغییرات در شاخص آنتروپی در این مورد مشاهده نمی شود یا خیلی کند پیش می رود. تعدادی از نویسندگان وجود دارند که فرآیندهای آدیاباتیک را فقط در فرآیندهای برگشت پذیر تشخیص می دهند.
فرایند ترمودینامیکی یک گاز نوع ایده آل به شکل یک پدیده آدیاباتیک معادله پواسون را توصیف می کند.
سیستم ایزوکوریک
مکانیسم ایزوکوریک یک فرآیند ترمودینامیکی بر اساس حجم ثابت است. می توان آن را در گازها یا مایعاتی مشاهده کرد که به اندازه کافی در ظرفی با حجم ثابت گرم شده اند.
فرایند ترمودینامیکی یک گاز ایده آل به شکل ایزوکوریک، به مولکول ها اجازه می دهد.نسبت های مربوط به دما را حفظ کنید. این به دلیل قانون چارلز است. برای گازهای واقعی، این جزم علمی صدق نمی کند.
سیستم ایزوبار
سیستم ایزوباریک به عنوان یک فرآیند ترمودینامیکی ارائه می شود که در حضور یک فشار ثابت در خارج رخ می دهد. جریان I.p با سرعت کافی آهسته، اجازه می دهد که فشار درون سیستم ثابت و مطابق با فشار خارجی در نظر گرفته شود، می تواند برگشت پذیر در نظر گرفته شود. همچنین چنین پدیده هایی شامل حالتی است که تغییر در فرآیند فوق با سرعت پایینی انجام می شود که امکان در نظر گرفتن فشار را ثابت می کند.
اجرای I.p. ممکن است در یک سیستم عرضه شده (یا حذف شده) به گرمای dQ. برای این کار باید Pdv کار را گسترش داد و نوع داخلی انرژی dU، T.
را تغییر داد.
e.dQ،=Pdv+dU=TdS
تغییر در سطح آنتروپی - dS، T - مقدار مطلق دما.
فرایندهای ترمودینامیکی گازهای ایده آل در سیستم ایزوباریک تناسب حجم با دما را تعیین می کند. گازهای واقعی مقدار معینی از گرما را برای ایجاد تغییرات در نوع متوسط انرژی مصرف می کنند. کار چنین پدیده ای برابر است با حاصل ضرب فشار خارجی و تغییرات حجم.
پدیده همدما
یکی از فرآیندهای ترمودینامیکی اصلی شکل همدما آن است. در سیستم های فیزیکی با دمای ثابت رخ می دهد.
برای درک این پدیدهسیستم، به عنوان یک قاعده، به یک ترموستات، با هدایت حرارتی عظیم منتقل می شود. تبادل متقابل گرما با سرعت کافی انجام می شود تا از سرعت خود فرآیند پیشی بگیرد. سطح دمای سیستم تقریباً از خوانش ترموستات قابل تشخیص نیست.
همچنین می توان فرآیند طبیعت همدما را با استفاده از سینک های حرارتی و (یا) منابع، کنترل ثبات دما با استفاده از دماسنج انجام داد. یکی از رایج ترین نمونه های این پدیده، جوشیدن مایعات تحت فشار ثابت است.
پدیده ایزنتروپیک
شکل ایزنتروپیک فرآیندهای حرارتی در شرایط آنتروپی ثابت پیش می رود. مکانیسم هایی با ماهیت حرارتی را می توان با استفاده از معادله کلازیوس برای فرآیندهای برگشت پذیر به دست آورد.
فقط فرآیندهای آدیاباتیک برگشت پذیر را می توان ایزنتروپیک نامید. نابرابری کلازیوس بیان می کند که انواع غیرقابل برگشت پدیده های حرارتی را نمی توان در اینجا گنجاند. با این حال، اگر کار در فرآیند ترمودینامیکی روی آنتروپی به گونه ای انجام شود که بلافاصله حذف شود، پایداری آنتروپی را می توان در یک پدیده حرارتی برگشت ناپذیر نیز مشاهده کرد. با نگاهی به نمودارهای ترمودینامیکی، خطوطی که فرآیندهای ایزنتروپیک را نشان می دهند را می توان آدیابات یا ایزنتروپ نامید. اغلب آنها به نام اول متوسل می شوند، که ناشی از ناتوانی در ترسیم صحیح خطوط روی نمودار است که روند ماهیت برگشت ناپذیر را مشخص می کند. توضیح و بهره برداری بیشتر از فرآیندهای ایزنتروپیک از اهمیت بالایی برخوردار است.ارزش، زیرا اغلب در دستیابی به اهداف، دانش عملی و نظری استفاده می شود.
نوع فرآیند ایزنتالپی
فرایند ایزنتالپی یک پدیده حرارتی است که در حضور آنتالپی ثابت مشاهده می شود. محاسبات نشانگر آن به لطف فرمول انجام می شود: dH=dU + d(pV).
آنتالپی پارامتری است که می تواند برای مشخص کردن سیستمی استفاده شود که در آن تغییرات پس از بازگشت به حالت معکوس خود سیستم مشاهده نمی شود و بر این اساس برابر با صفر است.
پدیده ایزنتالپی انتقال حرارت می تواند، برای مثال، خود را در فرآیند ترمودینامیکی گازها نشان دهد. هنگامی که مولکول ها، به عنوان مثال، اتان یا بوتان، از طریق یک پارتیشن با ساختار متخلخل "فشرده" می شوند و تبادل حرارت بین گاز و گرمای اطراف مشاهده نمی شود. این را می توان در اثر Joule-Thomson که در فرآیند به دست آوردن دماهای بسیار پایین استفاده می شود مشاهده کرد. فرآیندهای ایزنتالپی با ارزش هستند زیرا کاهش دمای محیط را بدون اتلاف انرژی ممکن می‌سازند.
فرم چند تروپیک
یکی از ویژگی های یک فرآیند پلی تروپیک توانایی آن در تغییر پارامترهای فیزیکی سیستم است، اما شاخص ظرفیت گرمایی (C) را ثابت می گذارد. نمودارهایی که فرآیندهای ترمودینامیکی را به این شکل نشان می دهند، polytropic نامیده می شوند. یکی از ساده‌ترین مثال‌های برگشت‌پذیری در گازهای ایده‌آل منعکس می‌شود و با استفاده از معادله تعیین می‌شود: pV =const. P - نشانگرهای فشار، V - مقدار حجمی گاز.
حلقه پردازش
سیستم ها و فرآیندهای ترمودینامیکی می توانند چرخه هایی را تشکیل دهند که شکل دایره ای دارند. آنها همیشه دارای شاخص های یکسانی در پارامترهای اولیه و نهایی هستند که وضعیت بدن را ارزیابی می کنند. چنین ویژگی های کیفی شامل نظارت بر فشار، آنتروپی، دما و حجم است.
چرخه ترمودینامیکی خود را در بیان مدلی از فرآیندی می یابد که در مکانیسم های حرارتی واقعی رخ می دهد که گرما را به کار مکانیکی تبدیل می کند.
بدنه کار بخشی از اجزای هر دستگاهی است.
یک فرآیند ترمودینامیکی برگشت پذیر به عنوان یک چرخه ارائه می شود که دارای مسیرهای رو به جلو و عقب است. موقعیت آن در یک سیستم بسته نهفته است. ضریب کل آنتروپی سیستم با تکرار هر چرخه تغییر نمی کند. برای مکانیزمی که در آن انتقال حرارت فقط بین دستگاه گرمایش یا تبرید و سیال کار انجام می‌شود، برگشت‌پذیری فقط با چرخه کارنو امکان‌پذیر است.
تعداد پدیده‌های چرخه‌ای دیگری وجود دارند که تنها زمانی می‌توان آنها را معکوس کرد که یک مخزن اضافی گرما ایجاد شود. به چنین منابعی احیاگر می گویند.
تجزیه و تحلیل فرآیندهای ترمودینامیکی که طی آن بازسازی رخ می دهد به ما نشان می دهد که همه آنها در چرخه روتلینگر رایج هستند. با تعدادی از محاسبات و آزمایشات ثابت شده است که چرخه برگشت پذیر بالاترین درجه کارایی را دارد.
