انقلاب درجة الحرارة

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

انقلاب درجة الحرارة في مجال الديناميكا الحرارية وفيزياء الحرارة المنخفضة هي درجة الحرارة الحرجة التي سيشهد دونها الغاز غير المثالي (جميع الغازات في الحقيقة)، الذي يتمدد عند محتوى حراري ثابت، انخفاضًا في درجة الحرارة، وفوق ذلك سيشهد ارتفاعًا في درجة الحرارة. ويُعرف هذا التغير في درجة الحرارة باسم تأثير جول-تومسون، ويُستخدم في إسالة الغازات.

النظرية[عدل]

يتعذر وصف تأثير جول-تومسون في إطار نظرية الغازات المثالية، التي يتم فيها تجاهل التفاعلات بين الجسيمات. بدلاً من ذلك، يجب على المرء استخدام نظرية تأخذ بعين الاعتبار قوى فان دير فالس بين الجسيمات المتفاعلة التي تصبح أكثر قوة مع تحول الغاز إلى سائل.

بالنسبة لمعادلة غاز فان دير فالس، يمكننا حساب المحتوى الحراري H باستخدام الميكانيكا الإحصائية كما يلي

H = \frac{5}{2} N k_B T + \frac{N^2}{V} (b k_B T - 2a),

حيث إن N هو عدد الجزيئات، وV هو الحجم، وT هو درجة الحرارة (بمقياس كيلفن)، وk_B هو ثابت بولتزمان، وa and b هي ثوابت اعتمادًا على القوى الموجودة بين الجزيئات والحجم الجزيئي على التوالي.

من هذه المعادلة، نلاحظ أنه إذا احتفظنا بثابت المحتوى الحراري وزيادة الحجم، فيجب أن تتغير درجة الحرارة استنادًا إلى علامة b k_B T - 2a. وبالتالي، يحدث انقلاب درجة الحرارة عندما تنقلب العلامة عند الصفر، أو

 T_\textrm{inv} = \frac{2a}{b k_B} = \frac{27}{4} T_c ,

حيث إن T_c هو درجة الحرارة الحرجة للمادة. لذا، بالنسبة لـ T> T_\textrm{inv}, فإن التمدد في المحتوى الحراري الثابت يزيد من درجة الحرارة نظرًا لأن العمل المنجز بواسطة التفاعلات الطاردة للغازات هي المهيمنة، وبالتالي فإن التغيير في الطاقة يكون سلبيًا. ولكن بالنسبة لـ T <T_\textrm{inv}, يتسبب التمدد في انخفاض درجة الحرارة نظرًا لأن عمل القوى الموجودة بين الجزيئات الجاذبة هي المهيمنة، الأمر الذي يعطي تغيرًا إيجابيًا في الطاقة.[1]

انظر أيضًا[عدل]

  • النقطة الحرجة
  • الانتقال المرحلي

المراجع[عدل]

  1. ^ Charles Kittel and Herbert Kroemer (1980). Thermal Physics (الطبعة 2nd Edition). W.H. Freeman. ISBN 0-7167-1088-9. 

وصلات خارجية[عدل]