فیلم آموزشی فصل 5 فیزیک دهم _ ترمودینامیک

تبادل انرژی به انتقال یا تبدیل انرژی از یک مکان به مکان دیگر یا از یک شکل به شکل دیگر اطلاق دارد. انرژی می‌تواند به چندین شکل مختلف، مانند حرارت، کار، انرژی شیمیایی، انرژی الکتریکی و… وجود داشته باشد. در زندگی روزمره و در علوم مختلف مانند فیزیک، شیمی، و مهندسی، تبادل انرژی یک مفهوم مهم است. چند نوع تبادل انرژی رایج به شرح زیر هستند:

1.تبادل انرژی حرارتی (حرارت):

در این نوع تبادل، انرژی به صورت حرارت از یک سیستم به سیستم دیگر منتقل می‌شود. این تبادل اغلب در اثر اختلاف دماها رخ می‌دهد.

2.تبادل انرژی مکانیکی (کار):

این نوع تبادل انرژی به وسیله حرکت و جابجایی اشیاء صورت می‌گیرد. به عنوان مثال، کار انجام شده توسط یک ماشین یا یک موتور.

3.تبادل انرژی شیمیایی:

این تبادل انرژی مربوط به تبدیلات شیمیایی است. زمانی که یک مولکول یا یک سیستم شیمیایی تغییر شکل می‌دهد و انرژی ذخیره شده یا رها می‌شود.

4.تبادل انرژی الکتریکی:

این تبادل مربوط به حرکت الکترون‌ها است و می‌تواند به وسیله جریان الکتریکی در مدارهای الکتریکی صورت گیرد.

5.تبادل انرژی هسته‌ای:

در این تبادل انرژی، تغییرات در هسته‌های اتمی به تولید یا انتشار انرژی هسته‌ای منجر می‌شود.

تبادل انرژی مهمترین جنبه‌ای است که در بررسی سیستم‌ها و فرآیندهای مختلف ترمودینامیکی مد نظر قرار می‌گیرد. در مفاهیم ترمودینامیکی، اصول مهمی مانند اصل اول ترمودینامیک که حفظ انرژی را بیان می‌کند، به تبادل انرژی پرداخته و نقش اساسی در توصیف رفتار سیستم‌ها دارند.

انرژی درونی

انرژی درونی (Internal Energy) یکی از مهم‌ترین مفاهیم در ترمودینامیک است. این مفهوم به مجموع انرژی‌های میکروسکوپیک یا داخلی یک سیستم اشاره دارد که از حرکت ذرات، نیروها و ساختار داخلی ذرات تشکیل شده است. انرژی درونی با علامت $U$ نمایش داده می‌شود.

انرژی درونی مستقل از محل و مختص سیستم خاصی است. به عبارت دیگر، این انرژی به دلیل حالت داخلی سیستم وابسته به فاکتورهایی مانند دما، حجم، فشار، ترکیب شیمیایی و… است. تغییرات انرژی درونی ($\Delta U$) نشان‌دهنده تفاوت انرژی در دو حالت مختلف یک سیستم است.

تغییرات انرژی درونی سیستم می‌تواند به چندین شکل رخ دهد:

1. تغییرات حرارتی ($Q$):
   • اگر سیستم گرما دریافت کند، تغییر انرژی درونی مثبت می‌شود ($\Delta U=Q+W$).
   • اگر سیستم گرما از دست دهد، تغییر انرژی درونی منفی می‌شود ($\Delta U=Q+W$).
2. کار انجام شده توسط سیستم ($W$):
   • اگر سیستم کار انجام دهد (مثل بر روی محیط کار کند)، تغییر انرژی درونی مثبت می‌شود.
   • اگر سیستم از محیط کار بگیرد، تغییر انرژی درونی منفی می‌شود.
3. تغییرات پتانسیل شیمیایی و حرارتی:
   • تغییرات ترکیب شیمیایی یا تغییر دیگری در ویژگی‌های سیستم می‌تواند تغییراتی در انرژی درونی ایجاد کند.

با کنترل و مدیریت این عوامل، می‌توان تغییرات انرژی درونی سیستم را در اثر تبادلات حرارتی و کاری با محیط درک کرد. این مفهوم در مطالعه رفتار سیستم‌ها و تحلیل فرآیندهای ترمودینامیکی اهمیت زیادی دارد.

قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامی، که به عنوان اصل حفظ انرژی در ترمودینامیک نیز شناخته می‌شود، اصل اساسی است که رفتار انرژی در سیستم‌ها را تعیین می‌کند. این قانون بیان می‌کند که تغییر انرژی درونی یک سیستم برابر با تبادل حرارتی (Q) و کار انجام شده توسط سیستم (W) است.

رابطهٔ ریاضی اصل اول ترمودینامی به شکل زیر است:

$\Delta U=Q-W$

در اینجا:

• $\Delta U$ نشان‌دهنده تغییر انرژی درونی سیستم است.
• $Q$ نماینده تبادل حرارتی میان سیستم و محیط است. اگر گرما به سیستم وارد شود، $Q$ مثبت است، و اگر سیستم گرما از دست دهد، $Q$ منفی است.
• $W$ نماینده کار انجام شده توسط سیستم است. اگر سیستم کار انجام دهد (بر روی محیط کار کند)، $W$ مثبت است، و اگر از سیستم کار بگیرند، $W$ منفی است.

این رابطه به عنوان اصل اول ترمودینامی برای هر فرآیند ترمودینامیکی رخ می‌دهد و حفظ انرژی را در سیستم‌ها بیان می‌کند. به عبارت دیگر، تغییرات انرژی درونی سیستم برابر با مجموع تغییرات حرارتی و کاری است که در آن سیستم رخ می‌دهد.

ماشین های گرمایی

ماشین‌های گرمایی، دستگاه‌هایی هستند که انرژی حرارتی را به کار کاری (معمولاً حرکت مکانیکی) تبدیل می‌کنند. این دستگاه‌ها بر مبنای اصول ترمودینامیکی عمل می‌کنند و در موتورها و توربین‌ها به‌کار می‌روند. دسته‌های مهمی از ماشین‌های گرمایی عبارتند از:

1. موتورهای حرارتی:

   • موتور احتراق داخلی: مثل موتور‌های بنزینی و دیزلی که انرژی از احتراق سوخت را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند.
   • موتور احتراق خارجی: مانند موتورهای بخار و موتورهای آبخوری که از انرژی حرارتی حاصل از احتراق سوخت یا انرژی حرارتی مستقیم به کار مکانیکی دست می‌زنند.

2. توربین‌ها:

   • توربین بخار: از بخار آب یا سایر مایعات گرمایی برای چرخش پیشروی توربین و تولید برق استفاده می‌کند.
   • توربین گاز: از گازهای سوختی برای چرخش توربین و تولید برق استفاده می‌شود.

ماشین‌های گرمایی بر اساس اصول ترمودینامیکی عمل می‌کنند، به ویژه قانون دوم ترمودینامیک که حفظ کیفیت انرژی و افزایش آنتروپی را مطرح می‌کند. این دستگاه‌ها در حالت‌های مختلفی مانند چرخش، جابه‌جایی، و تولید برق برای مصارف مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ویدیو های مرتبط