خواص ترموديناميكي سيستم

فرض كنيد ما آزمايشي بر روي يك سيستم انجام داديم و به يك نتیجه يا قانون رسيده ايم. براي آنكه آن نتيجه يا قانون مورد پذيرش عموم قرار گيرد، بايستي آنها نيز بتوانند از نو سيستم مورد آزمايش ما را بسازند و بر روي آن آزمايش كنند يا حداقل درك يا توصيفي از سيستم مورد آزمايش ما و شرايط آزمایش ما داشته باشند. به عبارتی ما بايستي سيستم مورد مطالعه را توصيف كنيم. براي اينكار بايستي خواص قابل اندازه گيري سيستم را اندازه گيري و گزارش كنيم. به چنين خواصي مثل دما ، فشار و حجم خواص ترموديناميكي سيستم مي گويند.

در اين راستا توجه به تعادلي يا غير تعادلي بودن سيستم حائز اهميت است. يك سيستم در حال تعادل است اگر در آن با گذشت زمان خواص ماكروسكوپي تغيير نكنند يا بعبارتی حالتي از سكون يا توازن در آن داشته باشيم. انواع تعادل را مي توان در نظر گرفت كه در سيستمهاي شيميائي معمولاً سه نوع تعادل گرمايي، تعادل مكانيكي و تعادل شيميائي بحث و بررسي مي شوند. زماني تعادل گرمايي بر سيستم حاكم است كه انتقال خالص گرما از يك نقطه به نقطه ديگر در سيستم نداشته باشيم يا به عبارتی نقاط گرم و سرد در سيستم نداشته باشيم و دما در كليه نقاط سيستم با هم برابر باشد. زماني تعادل مكانيكي بر سيستم حاكم است كه انتقال خالص كار از يك نقطه به نقطه ديگر نداشته باشيم كه درمورد سيستمهاي شيميائي اين معمولاً بدين معني است كه نقاط پر فشار و كم فشار در سيستم نداشته باشيم و فشار در كليه نقاط سيستم باهم برابر باشند. زماني تعادل شيميائي بر سيستم حاكم است كه انتقال خالص ماده از يك نقطه به نقطه ديگر، از يك حالت به حالت ديگر يا از يك فرم به فرم ديگر نداشته باشيم يا به عبارتي واكنش شيميائي و انتقال جرم خالص در سيستم نداشته باشيم. در صورتيکه هر سه نوع تعادل ياد شده بر قرار باشند، مي گوئيم سيستم در تعادل ترموديناميكي است. در بحث هاي مقدماتي ترموديناميك، سيستم هاي تحت بررسي در تعادل ترموديناميكي هستند يا از يك حالت در تعادل ترموديناميكي به يك حالت ديگر در تعادل ترموديناميكي جابجا مي شوند، بدون آنكه حالتهاي غير تعادلي ما بين ممكن مهم باشند يا بررسي شوند.

براي يك سيستم در حالت تعادل ترموديناميكي، حالت سيستم با مشخص كردن مقادير كليه كميت هاي فيزيكي قابل اندازه گيري از قبيل دما، فشار، حجم، ظرفيت گرمايي، چگالي و ... معلوم میشود. در عمل اگر نوع مواد حاضر در سيستم، دما ،فشار و حجم گزارش شود، مقادير مابقي كميت هاي فيزيكي بطور يكتا مشخص خواهد شد (مثلاً از روي جداول قابل برداشت خواهد بود) و حالت سيستم مشخص خواهد شد. بنابراین هر سيستم در حال تعادل با جنس معلوم، با گزارش  (دما)، ( فشار) و  (حجم) بطور كامل توصيف مي شود و هرو  بخصوص براي آن متناظر با يك حالت بخصوص براي آن است.

خواص ترموديناميكي يا متغيرهاي ترموديناميكي را مي توان به دو دسته شدتي و مقداري تقسيم نمود. خواص مقداري خواصي هستند كه متناسب  با مقدار ماده موجود در سيستم هستند، در حاليكه خواص شدتي خواصي هستند كه مستقل از مقدار ماده موجود در سيستم هستند. براي آنكه تعيين كنيم متغير  يك متغير شدتي يا مقداري است، مي توانيم يكبار مقدار آن براي كل سيستم () و يكبار مقدار آن براي جزئي از سيستم () را در نظر بگيريم و اگر اين دو با هم برابر بودند، x يك متغير شدتي است، در حاليكه اگر با هم برابر نبودند و به نسبت جرم كل به جرم جزء در نظر گرفته شده بودند، x يك متغير مقداري است. بعنوان مثال دما ، فشار و... جز متغيرهای شدتي هستند، در حاليكه جرم، ظرفيت گرمايي، حجم و... جز متغير هاي مقداري هستند. واضح است كه با تقسيم مقدار يك متغير مقداري بر مقدار ماده متناظر ( تعداد مول يا جرم)، كميت حاصل مستقل از مقدار ماده خواهد بود و مشابه متغير هاي شدتي مي تواند در نظر گرفته شود. بعنوان مثال ظرفيت گرمايي يك متغير مقداري است، در حاليكه ظرفيت گرمايي ويژه يا مولي به مقدار ماده بستگي ندارد و مي تواند يك خاصيت شدتي در نظر گرفته شود. يك سيستم ممكن است در يك فرآيند شركت كند و تغيير حالت بدهد و از حالت اوليه يا آغازي به حالت ثانويه يا پاياني برود. بعبارتی فرآيند به معناي رخ دادن تغيير است (گرچه ممكن است حالت اوليه و ثانویه در آن با هم يكي باشند، مثلاً سيستم از يك حالت شروع كرده، پس از يك سري تغييرات دوباره به همان حالت برگردد). براي يك سيستم بسته كه در يك فرآيند شركت مي كند، ممكن است جنس سيستم (نوع مواد حاضر در آن) ، دما، فشار و حجم تغيير كند كه اولي در صورتي خواهد بود كه يك فرآيند يا واكنش شيميائي داشته باشيم و در صورت عدم وجود واكنش شيميائي تنها دما ، فشار و حجم تغيير خواهد كرد و سيستم از حالت اوليه (V₁ وP₁ و T₁) به حالت ثانويه (V₂ و P₂ وT₂) تغيير حالت خواهد داد .

ممكن است در طول يك فرآيند يك متغير ثابت نگه داشته شود يا ثابت باشد كه فرآيند به نام آن متغير ثابت خوانده خواهد شد. مثلاً منظور از يك فرآيند همدما فرآيندي است كه براي آن دما ثابت است يا منظور از يك فرآيند هم فشار فرآيندي است كه در طول انجام آن فشار ثابت است و تغيير نمي كند. همچنين ممكن است براي يك فرآيند حالت اوليه و ثانويه مثل هم باشند كه در اينصورت فرآيند، چرخه اي يا سيكلي ناميده مي شود.

در ادامه با كار، انرژي دروني، آنتالپي و توابع حالت و مسير آشنا مي شويم تا به سراغ اصول و قوانين حاكم بر گرماشیمي و ترموديناميك برويم.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||