نظام (تحريك حراري)

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
(بالتحويل من نظام حركة حرارية)
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
System boundary.svg

النظام في الثرموديناميك (والتي تعد من أقسام الفيزياء والكيمياء وعدد من فروع الهندسة) هو نظام محدود الحجم نجري عليه مشاهداتنا ويتميز بحالة متوازنة للطاقة. ينطبق ذلك على نظام مغلق ، أي لا يحدث تبادل للحرارة أو معلوماتية أو تبادل لمواد بين النظام والوسط المحيط به - هذا بخلاف "نظام مفتوح " فيكون في حالة تبادل مع الوسط المحيط ويجري بينهما تبادل للمواد.

في حالة النظام المغلق نهتم بدراسة تغيرات الطاقة والحرارة والشغل التي تخرج من حدود النظام وتغير بذلك الطاقة الداخلية وحالة النظام. وفي حالة النظام المعزول لا يوجد تبادل من أي نوع مع الوسط المحيط.

Übersicht über verschiedene thermodynamische Systeme

أنظمة الترموديناميكا معهودة لنا في حياتنا اليومية فعدما نركب سيارة يقوم محرك الاحتراق الداخلي بتحريكنا ، وإذا شئنا السفر بالقطار قامت الآلة البخارية أو محرك ديزل بتحريك القطار ، وإذا استغنينا عن القطار وأردنا السفر بالطائرة قامت المحركات النفاثة بالارتفاع بنا والسفر في الجو ، وغيرها وغيرها ، كلها محركات نزودها بالوقود المناسب ونجني منها شغلا. هذالفرع من الفيزياء والكيمياء يختص بتلك الدراسات بغرض رفع كفاءة الآلات التي تخدمنا بما فيها جميع أنواع محطات توليد الكهرباء ، مما يعود علينا بحفض استهلاك الوقود وخفض مصروفاته.

النظام المفتوح[عدل]

During steady, continuous operation, an energy balance applied to an open system equates shaft work performed by the system to heat added plus net enthalpy added.

في النظام المفتوح يتبادل النظام مع الجو المحيط طاقة ومواد. ومثال على النظام المفتوح تتم فيه عملية دورية هو التوربين. فعند تشغيله يقوم سيل ثابت من مواد (ماء / أو بخار / أو غاز) بتحريكه. في تلك الحالة تبقى حالة السيل الداخل وحالة السيل الخارج ثابتتين ويتغير السيل فقط في داخل النظام. يدخل وسط التشغيل مضغوطا في التوربين ويخرج منه متمددا ، ويسمى ذلك "شغل تقني" ، ويمكن وصفه بالمعادلة :

\qquad \mathrm  \delta W_\mathrm{t} = V \cdot dp + \delta W_\mathrm{diss}+ \delta E_\mathrm{a}

حيث نسمي :

(\delta E_\mathrm{a} التغير في الطاقات الخارجية.

ويعرف "الشغل التقني" بتعريفات مختلفة ، ولكن معظمها بعني الجزء Vdp) الذي يشمل حاصل ضرب الحجم في تغير الضغط.

بجانب هذا الشغل ينشا عند مدخل التوربين ومخرجه شغل إزاحي. فإذا كانت كتلة الجسيمات  \Delta m\ عند المدخل بالحجم  \Delta V_\mathrm{1}\ وعند المخرج بالحجم  \Delta V_\mathrm{2}\ , يكون الشغل الإزاحي عند المدخل  p_\mathrm{1}\cdot\Delta V_\mathrm{1} وعند المخرج  -p_\mathrm{2}\cdot\Delta V_\mathrm{2}

يشكل كلا الشغلان الإزاحييان جزءا من انثالبية السيل الداخل والسيل الخارج بالإضافة إلى الطاقة الداخلية:

H = U +p\cdot V

وتكون الموازنة للنظام المفتوح المستقر :

\dot{Q}+ \dot{W_\mathrm{t}} = \dot H_\mathrm{2}-\dot H_\mathrm{1}+ \dot m\cdot g\cdot\left(z_\mathrm{2}-z_\mathrm{1}\right) +  {\dot m\over 2}\cdot\left(c_\mathrm{2}^2- c_\mathrm{1}^2\right)

وباستخدام رمز اقدرة :

\dot{W_\mathrm{t}}=P

والطاقة الخارجية نحصل على:

\dot{m}\cdot g\cdot z + {\dot m\over 2}\cdot c^2= \dot E_\mathrm{a}

بذلك تكتمل صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية عند تطبيقها على نظام مفتوح :

\dot{Q}+ P = \dot H_\mathrm{2}-\dot H_\mathrm{1}+ \Delta\dot E_\mathrm{a}

وفي الصورة المبينة للنظام المفتوح open system وهي تمثل محرك الاحتراق الداخلي نجد أن النظام مرة يكون مفتوحا ومرة مغلقا على التوالي. ولكن يمكن اعتبار النظام نظام مفتوحا عبر مدة طويلة من الزمن.

النظام المغلق[عدل]

في النظام المغلق لا تخرج منه مادة. ولكن يمكن فيه دخول أو خروج حرارة أو شغل . ومن أنواع الشغل يمكن أن تكون:

  1. شغل تغير الحجم عكوسي نؤديه على النظام ، وهذا يسمى أحيانا شغل حجمي. من الامثلة الموجودة في الجدول نجد : ضغط الغاز في الأسطوانة بواسطة المكبس بدون احتكاك. وحيث أنه في المعادلة \qquad \mathrm  \delta W_\mathrm{V} = - p \cdot dV نجد التغير في الحجم dV سالب الإشارة يكون الشغل المؤدى على النظام موجب الإشارة.
  2. شغل مشتت. ومثال له المروحة في غرفة أو جهاز التدفئة الكهربائي في غرفة محدودة الحجم. يخرج من حدود النظام شغل يتشتت من الغرفة. كما أن الشغل الناشئ عن احتكاك المكبس بالأسطوانة ينتمي إلى تلك الطاقة الداخلة الغير عكوسية.


ونظرا لأن الطاقة لا تنشأ من نفسها ولا تنعدم طبقا ل القانون الأول للديناميكا الحرارية تتزايد الطاقة الداخلية في النظام بمقدار الطاقة الداخلة إليه من الخارج. ويمكن وصف توازن الطاقة للنظام المغلق المستقر بالمعادلة :

Q_\mathrm{1,2} + W_\mathrm{1,2}\ = U_\mathrm{2}-U_\mathrm{1}

مع

W_\mathrm{1,2}\ = W_\mathrm{diss1,2}+W_\mathrm{V1,2}

والمؤشران 1 و 2 في المعادلة يؤشران إلى الحالة الابتدائية والحالة النهائية على التوالي ، كما يعني المؤشر 1,2 المسلك من 1 إلى 2.

وفي حالة تغير الطاقة الخارجية للنظام سواء كانت طاقة الوضع و/أو طاقة الحركة بسبب الطاقة التي زودناه بها من الخارج ، يصبح توازن الطاقات للنظام المغلق (طبقا للقانون الأول للديناميكا الحرارية):

Q_\mathrm{1,2} + W_\mathrm{1,2} = U_\mathrm{2}-U_\mathrm{1}+ m\cdot g\cdot\left(z_\mathrm{2}-z_\mathrm{1}\right) +  {m\over 2}\cdot\left(c_\mathrm{2}^2- c_\mathrm{1}^2\right)

ملحوظة 1 : الجزء الثالث من المعادلة إلى اليمين الذي يحتوي على g (وهي عجلة الجاذبية) يعطي اختلاف طاقة الوضع للنظام بتغير الارتفاع عن سطح الأرض. في العادة لا نأخذ هذا الجزء في الاعتبار عند التعامل مع نظام مغلق.

ملحوظة 2 : الجزء الرابع من المعادلة إلى اليمين الذي يحتوي على تغير سرعة النظام من c1 إلى c2 يعطي تغير طاقة الحركة للنظام ، وعادة لا نـأخذ تلك المؤثرات في الحسبان عند دراسة نظام مغلق ، لأننا نجري تجاربنا عادة في مختبر ثابت لا يتحرك ومن النادر أن نقوم بتجربة في مختبر موجود في عربة قطار.

بناء على تلك الملحوظتين يمكننا اختصار معادلة توازن الطاقات لتكون :

Q_\mathrm{1,2} + W_\mathrm{1,2} = U_\mathrm{2}-U_\mathrm{1}

وهي المعادلة المعهودة لنا والتي تقول أن التغير في الطاقة الداخلية للنظام تساوي مجموع الحرارة والشغل الناشئة منه أو المعطاة له.

النظام المعزول[عدل]

النظام المعزول هو نظام مغلق ، لا يحدث فيه تبادل طاقة مع الخارج (المثال 4 في القائمة). ولا يستحق النظام المعزول المثالي الدراسة باستفاضة حيث أن جميع الأجزاء في معادلة توازن الطاقات تختفي وتصبح صفرا. .[1][2][3][4][5]

مثال دورة كارنو[عدل]

{مقالة رئيسية: دورة كارنو}

تبين مقالة دورة كارنو الرسم التوضيحي للأسكوانة والمكبس التي استخدمها كارنو لتوضيح آلته المثالية ، ونرمز لدورة كارنو هنا بالرسوم والرموز المعتادة لنا:

نموذج آلة كارنون (نموذج حديث): تنتق الحرارة من درجة حرارة عالية TH عبر "وسيط للشغل " وتخرج منه باردا TC, بذلك يقوم وسيط الشغل بأداء شغلا ميكانيكيا W في الوسط المحيط ، ويتم ذلك عن طريق الانضغاط والتمدد على دورات.

في هذا الشكل يظهر أداة الشغل (نظام) الذي قد يكون بخارا أو سائلا يمكن تسخينه بحرارة QH فيُنتج شغلا ميكانيكيا. في عام 1824 افترض سادي كارنو في رسالته " أفكار حول القوة الحركية للنار" أن يكون الوسط أي مادة قابلة للتمدد مثل بخار الماء أو بخار الكحول أو بخار الزئبق أو غاز أو الهواء وغيرها. ومع أنه في ذلك العصر ظهرت عدة آلات متغيرة التصميم ، إلا أنها كانت جميعها تحتوي على غلاية ، يتم فيها تسخين الماء QH حتى الغليان بواسطة فرن ، وكان QC ماء بارد يسيل في مكثف موضوع على الآلة. وكان الشغل الناتج W عبارة عن حركة المكبس الذي يدير محورا ، فيمكن بذلك إدارة قرصا أو بكرة تعمل على رفع المياه من المناجم. وقام كارنو آنذاك بتعريف الشغل بأنه " رفع ثقل إلى ارتفاع معين".

أنظر أيضا[عدل]

المراجع[عدل]

  1. ^ I.M.Kolesnikov؛ V.A.Vinokurov؛ S.I.Kolesnikov (2001). Thermodynamics of Spontaneous and Non-Spontaneous Processes. Nova science Publishers. صفحة 136. ISBN 1-56072-904-X. 
  2. ^ "A System and Its Surroundings". ChemWiki. University of California - Davis. اطلع عليه بتاريخ May 2012. 
  3. ^ "Hyperphysics". The Department of Physics and Astronomy of Georgia State University. اطلع عليه بتاريخ May 2012. 
  4. ^ Bryan Sanctuary. "Open, Closed and Isolated Systems in Physical Chemistry,". Foundations of Quantum Mechanics and Physical Chemistry. McGill University (Montreal). اطلع عليه بتاريخ May 2012. 
  5. ^ Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists. Imperial College Press. صفحة 7. اطلع عليه بتاريخ May 2012. 

وصلات خارجية[عدل]