القانون الثاني للثرموداينمكس والانتروبي
ألمقدمه : ينص القانون الأول للثرموداينمكس على ان خلال أي دوره لكيان يتساوى تكامل دورة كمية الحرارة مع تكامل دورة الشغل ، ولابد هنا ان نؤكد ان القانون الأول للثرموداينمكس لا يضع محددات على سريان الحرارة والشغل ، فهو يعني ضمنا إن الحرارة عكس الشغل ،أي يستخلص من الكيان كميه من الحرارة تساوي الشغل المنجز على ( الشغل الداخل ) يمثل تحقيقا للقانون الأول للثرموداينمكس ويعني ضمنا ان الحرارة عكس الشغل .
من ذلك نستنتج إن القانون الثاني للثرموداينمكس يعني في الحقيقة إن ألعمليه تسير في اتجاه معين وليس بالاتجاه المعاكس . ولتوضيح ذلك نقول إن قدح الشاي الساخن يبرد بواسطة انتقال الحرارة إلى محيطه البارد ، وليس ممكنا ان يسخن قدح الشاي بانتقال الحرارة إليه من محيطه الخارجي البارد ، ومن الامثله الأخرى تصرف السيارة البنزين لصعود مرتفع معين ولا يمكن أن يسترجع خزان البنزين فيها لما صرف من البنزين عند نزول ذلك المرتفع .
قبل ان نقوم بصياغة القانون الثاني للثرموداينمكس ، دعنا نعني بتطبيق القانون الثاني على كيان خلال دوره ، وبعد ذلك تصور هذه المبادىء لفهم كيان تتغير فيه الحاله( change of state) وهكذا ومن الامثله على ذلك المكائن الحراريه ومن امثلتها :
1. ماكنة الكازولين :
وهي ماكنة احتراق داخلي لها اربع اشواط في الدوره الواحده وهي :
اولا : شوط الامتصاص : يبدا عندما يسحب المكبس خليطا من الهواء وغاز الكازولين
الاسطوانه في الحركه السفلى عندما يفتح الصمام للاخذ وينغلق صمام التفريغ .
ثانيا : شوط الكبس : يبدا عندما يغلق صمام الاخذ ويرتفع المكبس منجزا عمليه كظيمه
تقريبا لضغط مزيج الهواء والكازولين وقرب انتهاء هذا الشوط تمر شراره كهربائيه
في المزيج متوقده ويحصل الاحتراق .
ثالثا : شوط القدره والشغل : بسبب الاحتراق يزداد الضغط ودرجة الحراره تحت حجم ثابت
فينزل المكبس فتمدد الغازات المحترقه تمددا كظيما تقريبا .
رابعا : شوط التفريغ : في نهاية شوط القدره ينفتح صمام التفريغ وينخفض ضغط الاسطوانه
الى الضغط الجوي يسرعه كبيره ويرتفع المكبس طاردا بقية الغازات واخيرا يغلق
صمام التفريغ وينفتح صمام الاخذ في الدوره التاليه .
الكفاءه الحراريه : النسبه بين الشغل الناتج والحراره المجهزه .
Q1 / Q2 -Q2 = ? = W /Q2
( 1- (Q1 / Q2=?
وتعرف النسبه بين الحراره الملفوظه من النظام الى الشغل المنجز بمعامل الانجاز
K= Q1 / W = Q1 / (Q2- Q1)
ماكنة الديزل: Diesel Engine
وتتألف من أربع أشواط :
1. شوط الامتصاص أو الأخذ ( سحب الهواء من الاسطوانة ) .
2. شوط الكيس أي كبس الهواء كظيما إلى درجه حرارة كافيه لاتقاد الوقود الذي يحقن
في نهاية الشوط فيحصل الاحتراق دون ألحاجه إلى شراره كهربائية ، ولكن سرعة
الاحتراق أبطا مما في الماكنه السابقة .
3. شوط القدره : يتكون من مرحلتين ، تمدد تحت ضغط ثابت ثم تمدد كظيمي .
4. شوط التفريغ : ينخفض ضغط الغاز في الاسطوانه الى الضغط الجوي تحت حجم ثابت .
دورة التثليج او عمل الثلاجه Refregerator
الثلاجه هي مضخه حراريه او ماكنه حراريه تعمل بالاتجاه المعاكس أي ان الحراره تضخ من داخل الثلاجه حيث درجة الحراره واطئه الى المحيط الخارجي ذي درجة الحراره العاليه ببذل شغل ميكانيكي .
صيغتي القانون الثاني للثرموداينمكس :
1. صيغة كلفن : لا يمكن ايجاد عمليه نتيجتها الوحيده امتصاص الحراره من مسنودع
حراري واحد وتحويلها الى شغل حراري .
2. صيغة كلاسيوس : لا يمكن ايجاد عمليه نتيجتها الوحيده نقل الحراره من مستودع
حراري درجة حرارته واطئه الى اخر درجة حرارته عاليه .
للبرهنه على صيغة كلفن
نفرض وجود ماكنه حراريه تناقض صيغة كلفن (أي انها تمتص حراره من مستودع حراري وتحولها كليا الى شغل حراري ميكانيكي ) ولنفرض ان الشغل الناتج يستخدم لتشغيل ثلاجه :
اولا : الثلاجه تسحب كميه من الحراره من مستودع بارد وتلفظ كميه من الحراره الى
مستودع حار .
ثانيا : قسم من الحراره يذهب ليعوض عن الشغل الميكانيكي الذي يشغل الثلاجه .
ثالثا : ناتج هذه العمليات ( لنفرض انها عمليه واحده ) ناتج هذه العمليه الوحيده هو سحب كميه من الحراره من مستودع بارد وتلفظها الى المستودع الحار وهذا مخالف لنص كلاسيوس ولهذا فان مايناقض نص كلفن يناقض نص كلاسيوس .
للبرهنه على صيغة كلاسيوس
نفرض وجود تدفق حراري من مستودع بارد الى مستودع حار ( نقيض صيغة كلاسيوس ) عندئذ يمكن تشغيل ماكنه حراريه بين المستودعين، وهذه الماكنه تاخذ كميه من الحراراكبر من التي تلفظها :
اولا : لنفرض انها تلفظ بمعدل يساوي مقدار ماتدفق من المستودع البارد الى الحار ، وعليه
تمتص كميه اضافيه من الحراره من المستودع الساخن كي تعوض عن الشغل الناتج .
ثانيا : هذا النظام سيعمل بصوره مستمره( سحب كميه من المستودع الساخن ويحولها بكاملها
شغل ).
الانتروبي The Entropy
ان الهيئه المميزه لحركة الجزيئه في نظرية الطاقه الحركيه للغازات تكون عشوائيه ، وكل جزيئه تصطدم بالجزيئات الاخرى وكذلك تصطدم بجدران الوعاء وبهذا فسرعتها تتغير باستمرار نتيجة لهذه الاصطدامات . فلو فرضنا ان لدينا غاز يملا وعاء ، ان تحتل جميع جزيئات الغاز زاويه واحده فقط وهو احتمال ضعيف ، في حين ان الحال الاكثر احتمالا هو ان جزيئات الغاز تتوزع بشكل عشوائي خلال الحجم . ان للفيزيائيين قياس خاص للعشوائيه يدعى بالانتروبي والذي يرمز له بالرمز (S).
فقد عرف بولتزمان الانتروبي بانه ثابت بولتزمان k مضروبا باللوغارتيم الطبيعي لاحتمال أي حاله خاصه من النظام .
S = k ln P
ان وحدة الانتروبي هي نفس وحدات ثابت بولتزمان وهي وحدات الطاقه مقسومه على درجة الحراره ( J /K) .
وقد عبر كلاسيوس عن الانتروبي بدلالة فكرتين معروفتين وهما الحراره ودرجة الحراره وكتب معادله ولعمليه عكوسه بالشكل الاتي :
dS = dQ / T
أي ان التغير في الانتروبي في أي جزء من اجزاء النظام يعادل الزياده في الحراره المظافه الى هذا الجزء من النظام مقسمه على درجة حرارته المطلقه في اللحظه التي اضيفت فيها الحراره . فعندما تكون dQ موجبه فان الانتروبي يزداد ( الحراره المكتسبه ) وعندما تكون dQ
سالبه فان الانتروبي يقل ( الحراره مفقوده ) .
حساب الانتروبي في بعض العمليات
1. في العمليات الاديباتيكيه :
في التمدد الكظيم لا تتدفق الحراره ويمكن ان يتم ذلك في حالة نظام معزول تماما ، وبما ان
2. في العمليات الايزوثرميه :
وهي من ابسط العمليات التي تحدث خلالها تغير في الانتروبي وهي العمليه العكسيه بثبوت
درجة الحراره أي :
S2 – S1 = 1/T ? dQ / T = Q / T
3. في العمليات الايزوباريه ( P constant) ، cp ثابته .
dQ= ncpdT
dT/T ? ncp = S2 – S1
?S = ncp ln T2/T1
4. في العمليات الايزومتريه ( V= constant) ، CV ثابته .
dQ= nCV dT
?S = nCV ln T2/T1
المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .