مفهوم کار در ترمودینامیک و انواع آن

کار چیست؟

به عنوان اولین سوال و مهم ترین سوال این مقاله، کار در ترمودینامیک یعنی چه؟ اگر بخواهم به طور کلی به این سوال جواب دهم، می گویم کار یعنی انجام یک عمل. این جمله را بار ها و بار ها شنیده اید اما آیا به مفهوم ضمن آن توجه کرده اید؟ انجام عمل یعنی چه؟

فرض کنید که می خواهید یک جعبه را از زمین بلند کنید. در این صورت خود جعبه یک وزن معینی دارد و بنابراین توسط جاذبه زمین روی سطح آن قرار گرفته و مثلا به هوا بلند نمی شود. شما برای غلبه بر این نیرو نیاز دارید تا عملی انجام دهید و این عمل همان تلاش برای بلند کردن جعبه است. در حقیقت شما دارید با انجام عمل بلند کردن جعبه بر نیروی جاذبه زمین غلبه می کنید و به اصطلاح گفته می شود که شما دارید کار انجام می دهید.

این تنها یک نوع کار است و ما انواع مختلفی از کار ها را داریم که برخی آن ها عبارتند از، کار الکتریکی, کار انبساطی و … در ادامه به مهم ترین انواع کار در ترمودینامیک می پردازیم. اما اجازه دهید تا پیش از این به فرمول بندی کلی کار اشاره کنیم. به طور کلی برای کار داریم:

علامت منفی در این معادله یک مفهوم جالب به همراه خود دارد. همانطور که در تعریف کار آوردیم، کار یعنی توانایی غلبه بر یک یا یک سری از نیرو ها. بنابراین اگر نیروی اولیه در راستای z وارد شود پس برای غلبه بر آن می بایست نیرویی در راستای خلاف آن یعنی z- به آن وارد کنیم. پس این علامت منفی به معنی اعمال نیرو بر خلاف جهت نیروی مقاومت کننده است. اما انواع کار در شیمی فیزیک کدامند؟ فقط دو مورد کار در شیمی فیزیک بیان شده که عبارتند از کار انبساطی و کار گرمایی.

کار انبساطی

فرض کنید که یک پیستون حاوی گاز داریم. این پیستون در حالت عادی در یک نقطه مشخص قرار دارد. ما می توانیم با اعمال نیرو، این پیستون را جلو و عقب کنیم که در نتیجه حجم گاز درون آن را کم یا زیاد کنیم. اگر بخواهیم حجم آن را کم کنیم باید پیستون را به طرف داخل فشار دهیم اما نیروی دافعه بین ذرات گاز، از فشرده شدن بیش از حد گاز جلوگیری می کند. هر میزان نیرویی که وارد کنیم در حقیقت مقداری کار انجام داده ایم. و داریم:

سوال: اگر هیچ نیرویی نباشد که با نیروی اعمال شده توسط ما مقابله کند، آیا کاری انجام می شود؟ خیر

فرض کنید که بخواهیم در فضای بین ستاره ها (فشاری وجود ندارد) شیر یک سیلندر حاوی گاز را باز کنیم تا گاز درون آن خارج شود. در این صورت آیا کاری انجام می شود؟ معلوم است که نه. چون هیچ نیرویی وجود ندارد که علیه انبساط گاز عمل کند بنابراین هیچ کاری هم انجام نمی شود. به این نوع انبساط که هیچ نیرویی علیه آن اقدام نمی کند انبساط آزاد گفته می شود. کار انبساط آزاد برابر با 0 است.

در مورد کار انبساطی چند زیر شاخه داریم:

انبساط در فشار ثابت

این نوع انبساط زمانی تعریف می شود که فشار محیط ثابت باشد و این هیچ ربطی به ثابت بودن یا نبودن حجم ندارد. به عنوان یک مثال ساده وقتی یک بادکنک را خالی می کنید؛ انبساط در فشار ثابت رخ می دهد. چون فشار هوای اطراف ما همیشه ثابت است. رابطه کار در فشار ثابت به صورت زیر است:

انبساط برگشت پذیر

فرض کنید که سیلندری حاوی گاز داریم که بالای آن یک پیستون قرار دارد و روی پیستون دانه های شن ریخته شده است. اگر به تدریج دانه های شن را برداریم چه اتفاقی می افتد؟ خب پیستون سبک می شود و در اثر فشار گازی که از پایین به آن وارد می شود به سمت بیرون حرکت می کند.

فرض کنید فشار داخل سیلند برابر با 10 اتمسفر باشد؛ حالا اگر یک دانه را برداریم، فشار داخل سیلند چقدر تغییر می کند؟ به میزان جزئی. حالا اگر 10 دانه شن برداریم چقدر و اگر نصف شن ها را برداریم چطور؟ و …

چنین انبساطی که فشار یا حجم سامانه (در این مورد سیلندر گاز) نسبت به لحظه قبلی و بعدی به میزان خیلی خیلی کمی تفاوت دارد و البته این امکان هم وجود دارد که سامانه در هر دو جهت یعنی افزایش یا کاهش فشار حرکت کند. به چنین انبساطی انبساط برگشت پذیر و به چنین کاری کار برگشت پذیر گفته می شود. فرمول بندی کار برگشت پذیر همانند موارد قبل به صورت زیر است.

انبساط برگشت ناپذیر

چنین کاری زمانی تعریف می شود که برخلاف مورد قبلی که حجم سامانه در لحظه قبلی و بعدی به میزان خیلی کمی تفاوت داشتند،حجم سامانه در لحظه قبلی و بعدی به میزان زیادی تفاوت دارند به طوری که برگشت به حالت قبلی ممکن نیست. برای مثال، فرض کنید که بخار داخل یک پیستون را تحت فشار بسیار زیادی قرار دهیم؛ در این صورت پس از اعمال فشار بسیار زیاد در نقطه ای، ناگهان پیستون پایین می افتد و همه بخار درون آن به مایع تبدیل می شود.

برای منبسط کردن این مایع ایجاد شده به میزان خیلی زیادی انرژی نیاز داریم و بنابراین حجم سامانه در لحظه قبلی و بعدی به میزان خیلی زیادی با هم تفاوت دارند. به چنین سیستمی سیستم برگشت نا پذیر و به کاری که در این سامانه انجام می شود، کار برگشت ناپذیر گفته می شود.

در این مورد، دیگر نمی توان با عبارات دیفرانسیلی dw و dv فرآیند را توضیح داد و به جای آن ها از رابطه زیر استفاده می شود.

در مقالات دیگر به شرح بیشتر کار انبساطی می پردازیم و روابط آن را تشریح می کنیم.

کار گرمایی

همانطور که در مقاله قانون اول ترمودینامیک هم اشاره شد. سامانه ها به دو شکل کار انجام می دهند یا می توان رو آن ها کار انجام داد. یا کار فشار-حجم یا کار گرمایی. در این نوع کار، از عامل گرما برای ایجاد تغییر در سامانه استفاده می شود.

برای مثال، فرض کنید که یک بادکنک پر از هوا داریم. هم با اعمال فشار و هم با سرد کردن بادکنک می توانیم حجم آن را کاهش دهیم. در این مورد، عاملی که باعث انجام کار می شود از جنس گرما است و بنابراین، کاری که انجام شده را به عنوان، کار گرمایی تعریف می کنیم.

در مقالات بعدی بیشتر به کار گرمایی می پردازیم و جنبه های مختلف آن را بررسی می کنیم.

____________________________________________________________________________________________

dw = کار انجام شده

F = نیرو

dz = جا به جایی در راستای z

p = فشار

dv = تغییر حجم