• 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 : 59 views
  • بدون نظر
این فایل در ۶۵صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

در بررسي تعادل سيستم‌هاي جامد ـ مايع كه در واقع در آن گازهاي جامد و مايع در حال تعادل هستند، از نظر تئوري به يك سري روابط ترموديناميكي نياز است كه يكي بيان كننده پتانسيل شيميايي يك سازنده خالص به حالت مايع يا پتانسيل شيميايي آن در محلول است و ديگري ارتباط حرارتي انرژي آزاد است و بر مبناي آن روابط مول جزئي يك جسم خالص هنگامي كه با محلول خود در حال تعادل باشد، با دماي شروع انجماد در محلول مورد بررسي قرار مي‌گيرد. طبق روابط ترموديناميكي مي‌توان نوشت
چون آنتروپي هر ماده‌اي مثبت است، در اين صورت علامت منفي در رابطه (۵) نشان مي‌دهد كه افزايش حرارت در فشار ثابت باعث افزايش انرژي آزاد خواهد شد. سرعت كاهش براي گازها كه نسبت به مايعات و جامدات داراي آنتروپي زياد مي‌باشند، بيشتر است.
طق معادله (۴)، افزايش فشار در درجه حرارت ثابت سبب افزايش انرژي آزاد مي‌شود. انرژي آزاد يك ماده خالص را مي‌توان با انتگرال معادله (۳) در درجه حرارت ثابت و فشار يك اتمسفر براي هر فشار ديگري مانند P بدست آورد.
در نتيجه داريم:
dG=VdP
 
  (6)
در اين رابطه، Go(T) عبارت است از انرژي آزاد ماده موردنظر در شرايط متعارفي، يعني فشار يك اتمسفر كه به آن انرژي آزاد استاندارد كه تابعي از درجه حرارت است، نيز مي‌گويند. حال اگر ماده موردنظر مايع يا جامد باشد، مقدار حجم مستقل از فشار است و مي‌توان رابطه (۶) را بصورت زير نوشت:
G(T,P)=Go(T)+V(P-1) (7)
چون حجم مايعات و جامدات كم است، رابطه (۷) بصورت زير در‌مي‌آيد:
G(T,P)=Go(T)
كه در واقع از وابستگي انرژي آزاد فشار صرف‌نظر شده است. مي‌دانيم كه حجم گازها در مقايسه با جامدات و مايعات به مقدار قابل توجهي بيشتر بوده و تا حدود زيادي به فشار بستگي دارد. با استفاده از رابطه (۶) براي يك باز ايده‌آل داريم:
G=Go(T)+ (nRT/P)dP
G/n=Go(T)/n)+ (RT/P)dP
G/n=Go(T)/n+RT1n(P(atm)/1(atm)) (9)
با توجه به اينكه پتانسيل شيميايي، (μ) برابر انرژي آزاد مولي، يعني G/n است. از رابطه (۹) نتيجه مي‌شود:
μV= μoV(T)+RTlnP (10)
اگر دو فاز مايع و بخار با هم در حال تعادل باشند، بايد پتانسيل شيميايي هر سازنده مانند A در هر دو فاز مساوي باشد، يعني:
μA1= μBV (11)
با قرار دادن رابطه (۱۱) در رابطه (۱۰)، خواهيم داشت:
μA1= μoAV(T)+RTLnPA (12)
اگر فاز مايع يك محلولي ايده‌آل باشد، طبق قانون رائول مي‌توان نوشت:
PA=PoA.XA (13)
كه در اين رابطه PA فشار بخار A, XA مول جزئي در فاز مايع است، از قرار دادن معادله (۱۳) در معادله (۱۲) داريم:
μA1= μoAV +RT1n(PAo.XA)= μoAV+RTlnPoA+RTlnXA (14)
كه در اين رابطه  μoAV+RTlnPoA مقدار ثابت، حال اگر جزء مولي A به سمت يك ميل كند، مجموع فوق برابر پتانسيل شيميايي جنس A به حالت مايع خالص است كه آن را با μA نشان مي‌دهيم. در اين صورت:
μAl=μoAl+RTlnXA (15)
در مورد تعادل فازهاي جامد ـ مايع، كه موضوع مورد بحث در اين آزمايش است، چون شرايط تعادل  بين فازهاي جامد A خالص و محلولي كه شامل A مي‌باشد، اين است كه پتانسيل شيميايي در دو فاز جامد و مايع برابر باشد، يعني μAl برابر باشد با μAS، در نتيجه رابطه كلي زير براي تعادل فازهاي جامد و مايع بدست مي‌آيد:
μAS=μoAl+RTlnXA → lnXA= μAS-μoAl/RT (16)
با قراردادن انرژي آزاد مولي به جاي پتانسيل شيميايي در رابطه (۱۶):
lnXA= GAS-GoAl/RT
با توجه به رابطه G=H-TS داريم:
-S=G-H/T
با قرار دادن انرژي آزاد مولي بجاي پتانسيل شيميايي در رابطه (۱۶):
lnXA= GAS-GoAl/RT
با توجه به رابطه G=H-TS داريم:
-S=G.H/T
با مشتق‌گيري G نسبت به T خواهيم داشت:
 
اين رابطه را براي فازهاي جامد و مايع در حال تعادل مي‌توان به صورت زير بكارد. براي يك ماده A در دو فاز مايع و جامد داريم:
 
با قرار دادن اين مقادير در مشتق رابطه انرژي آزاد داريم:
 
از انتگرال‌گيري رابطه فوق داريم:
 
كه در آن XA مول جزئي جسم A در محلول ايده‌آل، ΔHf گرماي نهان ذوب ماده، R ثابت گازها، To درجه حرارت ماده خالص و T درجه حرارت انجماد ماده در محلول ايده‌آل است (بر حسب كلوين). 
در اين آزمايش، به منظور بررسي ايده‌آل بودن حلاليت در بنزين بايد دو دياگرام تجربي و تئوري از تغييرات logxN نسبت به ۱/T رسم كرد ه و از موازي بودن و نزديك بودن دو منحني تجربي و تئوري، ايده‌آل بودن محلول را مي‌توان تحقيق نمود.


روش كار:
ابتدا مقدار ۵ گرم نفتالين را به دقت وزن كرده و در يك محلول آزمايش تميز و خشك بريزيد. توسط يك پي‌پت مدرج ۲ ميلي‌ليتر بنزن به محتوي داخل لوله آزمايش بريزيد (براي برداشت بنزن به هيچ‌وجه پي‌پت را نمكيد). سپس لوله آزمايش را داخل بشر آب گرم قرار داده و با يك دماسنج (۰-۱۰۰oC) محتوي آن را به هم بزنيد تا تمام نفتالين ذوب شده و يك محلول كدر شود (ذرات جامد نفتالين ظاهر شود). در اين حال درجه كدر شدن (درجه حرارت اشباع محلول ۵ گرم نفتالين در ۲ ميلي‌ليتر بنزن) يادداشت كنيد (t1) مجدداً به محتوي لوله آزمايش توسط پي‌پت مدرج ۱ ميلي‌ليتر بنزن اضافه كنيد.
لوله آزمايش را داخل بشر آب گرم قرار داده، محلول را به هم بزنيد تا كاملاً شفاف شود. سپس لوله آزمايش را از داخل بشر بيرون آورده، به هم زده، به محض كدرشدن محلول، درجه حرارت كدورات را يادداشت كنيد (t2) (درجه حرارت اشباع محلول ۵ گرم نفتالين در ۳ ميلي‌ليتر بنزن) تجربه سوم را مثل دو تجزيه ديگر به ازاي افزايش ۱ ميلي‌ليتر بنزن انجام دهيد و درجه حرارت اشباع محلول ۵ گرم نفتالين را در ۴ ميلي‌ليتر بنزن يادداشت كنيد (t3). تجربه‌هاي ۴٫۵٫۶٫۷ را مانند تجربه‌هاي قبل هر بار به ازاي افزايش ۱ ميلي‌ليتر بنزن انجام دهيد و درجه حرارت كدورات را در هر تجربه بدست آوريد.
توجه: پس از يادداشت كردن دماي كدورت هر نمونه، مجدداً نمونه را گرم كرده تا محلول يكنواخت حاصل شود. سپس محلول نفتالين در بنزن را داخل شيشه‌اي كه با برچسب نفتالين در بنزن مشخص شده، بريزيد. هرگز محلول نفتالين در بنزن را داخل دستشويي نريزيد، زيرا باعث بسته شدن لوله‌هاي فاضلاب خواهد شد.

عتیقه زیرخاکی گنج