• بازدید : 32 views
  • بدون نظر
این فایل در ۳۳صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:


مقدمه
کار و انرژی از مفاهیم بسیار مهم و اساسی فیزیک است. انرژی به معنی توانایی انجام دادن کار تعریف شده است. اگر جسمی بتواند کار انجام دهد، دارای انرژی است. اما خود کار چیست؟ طبق تعریف کار برابر است با حاصلضرب داخلی بردار نیرو در بردار جابجایی، یعنی
W=F.d
جسمی را از ارتفاعی رها کنید، نیروی وزن آن جابجا می شود، بنابراین زمین (که نیروی وزن را به جسم اعمال کرده) روی آن کار انجام داده است. حال گلوله یک فلزی را نظر بگیرید که با سرعت در حال حرکت است و به توپ ساکنی برخورد کرده و آن را پرتاب می کند. گلوله روی توپ کار انجام داده است، بنابراین گلوله دارای انرژی بوده است. اگر گلوله ساکن بود توانایی انجام کار نداشت، پس دارای انرژی نبود

 انرژی دارای انواع مختلف، انرژی مکانیکی، انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی، انرژی گرمایی، انرژی هسته ای … می باشد. در سال ۱۸۴۷ فون هلمهولتز قانون بقای انرژی را اعلام داشت. بر طبق این قانون، انرژی را می توان از صورتی به صورت دیگر تبدیل کرد، اما نمی توان آنرا نابود یا خلق کرد. هرگاه به نظر آید که در جایی مقداری انرژی ناپدید شده است، می بایستی در جای دیگر، همین مقدار انرژی ظاهر شود. این قانون را قانون اول ترمودینامیک نیز می نامند.  تقریباً یکصد سال قبل از هلمهولتز، لاووزیه شیمیدان فرانسوی قانون بقای جرم را بیان داشته بود. طبق قانون بقای جرم، ماده نه به وجود می آید و نه از بین می رود و در طی یک فرایند شیمیایی مجموع جرم مواد شرکت کننده در آن فرایند همواره ثابت است. بنابراین در فیزیک کلاسیک دو قانون، قانون بقای جرم و قانون بقای انرژی شناخته شده و مورد قبول بود
 گرما
 هر شئی نورانی خواه ستاره خواه شمع، ضمن انتشار نور مقداری گرما منتشر می کند. در مورد گرما نیز مانند نور دو نظریه وجود داشت. بر طبق یکی از آنها، گرما جسمی مادی بود که می توانست از یک جسم به جسم دیگر وارد شود. این جسم را کالوریک
Caloric
می نامیدند که مشتق از کلمه ی یونانی به معنی. بر طبق این عقیده، گرما است هنگامی که چوب می سوزد، کالوریک چوب به شعله و از طریق شعله به اجسام مجاور منتقل می شود. در اواخر قرن هیجدهم این نظریه مطرح شد که گرما به صورت ارتعاش است. در سال ۱۷۹۸ بنجامین تامسون که به سوراخ کردن توپ نظارت می کرد، متوجه شد که مقداری گرما تولید می شود. وی نظر داد که این گرما می بایستی به صورت ارتعاش باشد و بر اثر اصطکاک مکانیکی مته و توپ تولید می شود
ژول مدت سی و پنج از عمر خود را صرف تبدیل انواع کار به گرما کرد. وی مقدار گرمایی را که از یک جریان الکتریکی تولید می شود، اندازه گیری کرد. با چرخاندن چرخهای پره دار در داخل آب، با متراکم کردن گاز و کارهای دیگری از این نوع انجام داد تا سر انجام به این نتیجه رسید که مقدار معینی کار، به هر صورتی که باشد، همیشه مقدار معینی گرما ایجاد می کند که وی آن را معادل مکانیکی گرما نامید
Mechanical Equivalent of Heat
چون گرما می توانست به کار تبدیل شود، می بایستی صورتی از انرژی باشد
Energy
یک کلمه یونانی به معنی حامل کار است
در هر تبدیل یک نوع انرژی،به نوع دیگر، مثلاً تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی، مقداری انرژِی به گرما تبدیل می شود. ظرفیت هر دستگاه برای انجام دادن کار، انرژی آزاد آن دستگاه نامیده می شود. بخشی از انرژی که از میان می رود و به صورت گرما ظاهر می شود، در اندازه گیری آنتروپی مجسم می شود. اصطلاح آنتروپی در سال ۱۸۵۰ توسط کلوزیوس به کار گرفته شد. کلوزیوس متوجه شد که در هر فرایندی که شامل جریانی از انرژی است، همیشه مقداری از انرژی از میان می رود و به گرما تبدیل می شود، به طوری که آنتروپی جهان پیوسته در حال افزایش است. افزایش پیوسته ی آنتروپی به قانون دوم ترمودینامیک موسوم است. این قانون را گاهی به کهولت یا مرگ تدریجی جهان تعبیر می کنند. طبق نظر کلوزیوس تغییرات آنتروپی یک سیستم برابر است با
dS=dQ/T
که در آن 
 dS , dQ , T
به ترتیب دمای مطلق، تغییرات گرما و تغییرات آنتروپی است. امروزه این رابطه به شکل زیر مورد استفاده قرار می گیرد
ds> or =dQ/T
با توجه به رابطه ی بالا بسادگی مشاهده می شود که آنتروپی یک سیستم که گاهی آنرا به نظمی نیز تعبیر می کنند، همواره بزرگتر یا مساوی صفر است و هیچگاه منفی نمی شود 
۲-۸ 
  ترمودینامیک 
ترمودینامیک شاخه‌ای از فیزیک است که در آن ، برخی از خواص اجسام را که به علت تغییر دما ، تغییر می‌ کنند، مورد مطالعه قرار می‌گیرد 

مراحل مطالعه ترمودینامیک 
قسمتی از فضا یا شی و یا نمونه را که به اختیار در نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز می‌شود، اصطلاحا سیستم می‌گویند. بقیه فضا یا شی نمونه را که در تماس با سیستم بوده و در تحولات سیستم دخالت دارد یا به بیان دیگر با سیستم اندرکنش می‌کند، محیط اطراف می‌گوییم
دیدگاه ماکروسکوپیک 
Macroscopic 

دیدگاه ماکروسکوپیک ، یک نگرش کلی است و مشخصات کلی ، یا خواص بزرگ ـ مقیاس سیستم ، مبنای توصیف ماکروسکوپی سیستم را تشکیل می‌دهند. بطور خلاصه ، توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت از مشخص کردن چند ویژگی اساسی و قابل اندازه‌ گیری آن سیستم است 
دیدگاه میکروسکوپیک
 Microscopic  
از نظر آماری ، یک سیستم متشکل از تعداد بسیار زیادی ملکول  
  • بازدید : 46 views
  • بدون نظر
این فایل در ۶۵صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

امروزه براي توليد انرژي الكتريكي كه در خانه‌ها و وسايل نقليه استفاده مي‌شود، ناگزير به استفاده از تكنولوژيهاي جديد براي صرفه‌جويي بيشتر در انرژي هستيم. يكي از روشهاي توليد انرژي كه امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell يا پيل سوختي است. پيل سوختي يك وسيله تبديل انرژي شيميايي به انرژي الكتريكي است. 
يك پيل سوختي هيدروژن و اكسيژن را تبديل به آب كرده و در طي اين پروسه الكتريسيته توليد مي‌كند. يكي از وسيله‌هايي كه تا حد زيادي شبيه به پيل سوختي عمل مي‌كند، باتري است.
غشاء
كاربردهاي بسيار زياد غشاء، جايگاه مهمي در تكنولوژي شيميايي پيدا كرده است، قدرت غشاء دركنترل ميزان نفوذ گونه‌هاي شيميايي از بين غشاء، خاصيت كليدي آن به شمار مي‌رود. در فرآيند‌هاي جداسازي، هدف، اجازه دادن به جزئي از يك مخلوط براي نفوذ آزادانه داخل غشاء است واين در حالي است كه غشاء از عبور اجزاء ديگر جلوگيري مي‌كند. 
تاريخچه غشاء 
 تحقيقاتي كه به صورت جدي روي غشاء انجام شد، توسط دانشمندان قرن ۱۸ صورت گرفت به عنوان مثال Abbe  Nolet در سال ۱۷۴۸ واژه اسمز را براي نفوذ آب از بين يك ديافراگم به كاربرد. غشاها در بين قرنهاي نوزدهم و بيستم كاربرد صنعتي يا تجاري نداشتند و تنها به عنوان تجهيزات آزمايشگاهي و براي انجام تئوري‌هاي فيزيكي/ شيميايي مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. به عنوان مثال براي اندازه‌گيري فشار اسمزي محلول، در سال ۱۸۸۷ غشايي توسط Trauble & Pfeffer ساختند كه با قانون وانت‌هوف (van’t Hoff ) كار مي‌كرد و رفتار محلولهاي خالص ايده‌آل را توضيح مي‌داد. به عبارت ديگر اين عمليات مستقيما به قانون وانت‌هوف منجر شد. 
در همان زمان، نظريه غشاي نیمه تراواي انتخابگر به وسيله ماكسول و ديگران (Maxwell  & others) به منظور توسعه تئوري جنبشي گازها ارائه شد. محققين غشاهاي نخستين، انواع ديافراگمهايي كه در اختيار داشتند مثل مثانه خوك، گاو يا ماهي، و روكش سوسيهايي كه از دل و روده حيوانات ساخته مي‌شد را مورد آزمايش قرار دادند. بعدها غشاهاي ساخته شده از كلودين (نيتروسلولز) (collodion) به دليل اينكه به صورت تكثيري ساخته مي‌شدند مورد توجه قرار گرفتند. بچهولد (Bechhold) در سال ۱۹۰۷ شيوه‌اي براي تهيه غشاهاي نيتروسلولزي با اندازه‌هاي درجه بندي شده‌اي براي منافذ ابداع كرد كه باتست حباب انجام مي‌شد .  و ديگران به خصوص الفورد (Elford) ، بچمن و زيگموندي (Bachmann & zsigmondy)  و فري (Ferry)  روش بچهولد را ادامه دادند. در طي ۲۰ سال اخير تكنولوژي توليد غشاهاي micro filtration توسط پليمرها مخصوصا استات سلولز گسترش پيدا كرده است. اولين كاربرد ويژه غشاها در آزمايش آب شرب در انتهاي جنگ جهاني دوم بود. آب شرب براي استفاده در آلمان و قسمتهايي از اروپا كه شكست خورده بودند تأمين مي‌شد. و در آن زمان شديدا به فيلترهايي براي آزمايش روي آب شرب نياز بود. 
محققين براي توسعه اين فيلترها كه به وسيله ارتش ايالات متحده مورد حمايت قرار مي‌گرفت، تلاشهاي زيادي را انجام دادند. ايالات متحده به اولين وبزرگترين توليد كننده غشاهاي micro filtration در جهان فعاليت مي‌كند. در ۱۹۶۰ اصول علم غشا توسعه پيدا كرده بود. اما غشاها تنها براي تعداد كمي از آزمايشگاهها و كاربردهاي ويژه صنعتي كوچك مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. در آن زمان صنعت غشاهاي ويژه وجود نداشت و فروش خالص‌نهايي غشاها براي همه كاربردهاي صنعتي بيشتر از ۲۰ ميليون دلار امريكا در سال ۲۰۰۳ نبود. در كاربرد غشاها در فرايندهاي جداسازي چهار مشكل وجود دارد: 
۱- غير قابل اطمينان بودن آنها
۲- سرعت كم
۳- گزينش پذيري كم
۴- قيمت بالا
حل هر كدام از اين مشكلات در طي ۳۰ سال انجام شد. كشف اساسي كه جداسازي غشايي را از يك كار آزمايشگاهي به يك فرايند صنعتي تبديل كرد، فرايند لوب- سوريراژان
[Leob – Sourirajan] براي ساخت غشاهاي اسمز معكوس anisotropic بدون نقص با شار بالا (high-flux) در سال ۱۹۶۰ بود. [۵]
اين غشاها شامل يك فيلم سطحي انتخابگر بسيار نازك برروي يك سطح ضخيم تر هستند و با داشتن منافذي در مقياس micro ( ) بسيار نفوذ پذير مي‌باشند و مي‌توانند نيروي مكانيكي را تامين ‌كنند. شاراوليه غشاي اسمز معكوس كه توسط لوب – سوريراژان ساخته شده بود ۱۰ برابر بيشتر از غشايي بود كه قبلا براي فرايند اسمز معكوس ساخته شده بود. كار لوب- سوريراژان و تحقيقات بسياري از محققين و تقبل هزينه‌ها توسط وزارت داخلي امريكا و سازمان آبهاي شور ((OSW) Office  of  Salive  Water) به تجاري كردن فرايند اسمز معكوس انجاميد و عامل مهمي در گسترش Ultra filtrtion وMicro filtration  به شمار مي‌رفت. 
همچنين الكترودياليز- به وسيله كمكهايي كه از يافته‌هاي OSW گرفته شد- گسترش پيدا كرد. به طور همزمان با گسترش كاربردهاي صنعتي غشاء، غشاها به طور مستقل براي فرايند‌هاي جداسازي در پزشكي به ويژه در ساخت كليه مصنوعي گسترش پيدا كردند. 
دبليو. جي. كالف[W.J.Kolf]  اولين موفقيت كليه مصنوعي را در سال ۱۹۴۵ در نترلند Netherland)) نشان داد و تقريباً ۲۰ سال براي تكنولوژي فيلتراسيون در مقياس بزرگ زمان صرف شد، اما اين تحقيقات در سال ۱۹۶۰ كامل شد. از آن به بعد، استفاده غشاء در عضوهاي مصنوعي اقدام مهمي در نجات جان انسانها به شمار مي‌رفت. بيش از ۰۰۰/۸۰۰ نفر كه هم اكنون كليه مصنوعي دارند بر اين مهم صحه مي‌گذارند و هر سال بيش از ميليونها نفر تحت عمل جراحي قلب باز- با روشي كه امكان اكسيژن دادن به خون به وسيله غشاء را فراهم مي‌كند.- قرار مي‌گيرند. 
در دوره سالهاي ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۰ تغييرات چشمگيري در وضعيت تكنولوژي غشاء به وجود آمد. فرايندهاي شكل‌گيري انواع ديگر غشا بر مبناي اصول روش لوب- سوريراژان شامل پليمريزاسيون interfacial و ريخته‌گري كامپوزيتهاي چند لايه و پوشش دهي آنها، به منظور ساخت غشاهاي با عملكرد بهتر، توسعه پيدا كرد. استفاده از اين فرايندها، ساخت غشاهايي با لايه‌هاي انتخابگر selective layers)) به ضخامت   ياكمتر – كه هم اكنون توسط تعدادي از كمپاني‌ها توليد مي‌شوند- را به دنبال داشت. در سال ۱۹۸۰، ميكروفيلتراسيون (microfiltration) ، آلترافيلتراسيون (ultrafiltration) ، اسمز معكوس (reverse osmosis) و الكترودياليز electro dialysis)) ، فرآيندهايي بودند كه در بسياري از واحدها در سراسر جهان انجام مي‌شدند. تحول مهمي كه در سال ۱۹۸۰ روي داد، ظهور غشاهاي صنعتي درفرايندهاي جداسازي گازها بود. اولين تحول بزرگي كه در اين زمينه انجام شد، غشايي بود كه توسط مونسانتو پريسم Monsanto Prism]] در سال ۱۹۸۰ براي جداسازي هيدروژن ارائه شد. [۷] در ظرف چند سال دو (Dow) سيستمهايي براي جداسازي نيتروژن از هوا توليد كرد و سينارا وسپاركس Cynara  & Separex)) سيستمهايي براي جداسازي دي‌اكسيد كربن از گاز طبيعي توليد كردند. تكنولوژي جداسازي گازها به سرعت رشد و گسترش پيدا كرد، علاوه بر اينكه رشد قابل توجهي در سالهاي اخير به چشم مي‌خورد. آخرين پيشرفتها در سال ۱۹۸۰ به وسيله GFT كه يك كمپاني كوچك مهندسي آلماني بود انجام شد.  در اين كمپاني اولين سيستم Pervaporation تجاري براي هيدروژن زدايي الكلها به كار گرفته شد. بيش از ۱۰۰ واحد هيدروژن زدايي Pervaporation براي ايزوپروپانول و اتانول هم اكنون در حال نصب هستند. 

انواع غشاء:
 در واقع غشاء چيزي جز يك فصل مشترك نازك منفصل نيست كه نفوذ گونه‌هاي شيميايي را كه با آن ارتباط دارد، تعديل و كنترل مي‌كند. اين فصل مشترك ممكن است از نظر مولكولي همگن باشد، به عبارت ديگر ساختار و تركيبي كاملا يكنواخت داشته باشد و يا اينكه از نظر فيزيكي يا شيميايي ناهمگن باشد به عنوان مثال داشتن سوراخها و منافذ با اندازه‌هاي محدود و معين و يا داشتن ساختار متفاوت در لايه‌ها. يك صافي نرمال با اين توضيحات غشا ناميده مي‌شود. براساس قرارداد، فيلترها معمولا براي جداسازي سوسپانسيونهاي خاصي كه ذرات آنها بزرگتر از ۱ تا ۱۰ ميكرومتر هستند، استفاده مي‌شوند مهمترين انواع غشاها به صورت شماتيكي در شكل زير نشان داده شده‌اند و به صورت خلاصه توضيح داده شده‌اند: 

عتیقه زیرخاکی گنج