دانلود مقاله شیمی فیزیک کار، انواع انرژی و قانون بقای انرژی انرژی جنبشی گازها

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 1847 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 1798 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 1850 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
2-8 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 N مولکول که هر کدام از این ملکول‌ها می‌تواند در مجموعه‌ای از حالتهایی که انرژی آنها مساوی E1 و E2 ?

است، قرار ‌گیرد.

این سیستم را می‌توان بصورت منزوی در نظر گرفت و یا در بعضی موارد می‌توان فرض کرد که مجموعه‌ای از سیستم‌های مشابه ، یا جمعی از سیستم‌ها ، آن را در بر گرفته‌اند سیر تحولی و رشد زمانی که برابری حرارت با انرژی مکانیکی ، بطور قاطع ثابت شد، موقع آن فرا رسید که کار ?سادی کارنو?

درباره قوانین مربوط به تبدیل شکلی از انرژی به شکل دیگر ، تعمیم یابد.

نخستین گامی که در این جهت برداشته شد، توسط فیزیکدان آلمانی ، رودلف کلاسیوس و لرد کلوین در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت.

این تلاشها به همین صورت ادامه یافت تا اینکه قوانین اساسی ترمودینامیک که بدنه اصلی و زیر بنای این علم را تشکیل می‌دهند، تدوین شد قوانین اساسی ترمودینامیک قانون صفرم ترمودینامیک یک کمیت اسکالر به نام دما وجود دارد که خاصیتی است متعلق به تمام سیستمهای ترمودینامیکی (در حال تعادل)، به طوری که برابری آن شرط لازم و کافی برای تعادل گرمایی است قانون اول ترمودینامیک اگر سیستمی فقط به طریقه بی‌دررو از یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برده شود، کار انجام شده برای تمام مسیرهای بی‌دررو که این دو حالت را به یکدیگر مربوط کنند، یکسان است قانون دوم ترمودینامیک هیچ فرایندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل آن گرما به کار باشد، امکان پذیر نیست.

به بیان دیگر می‌توان گفت که امکان ندارد که تنها اثر یک ماشین چرخه ای آن باشد که بطور مداوم آزمایش‌های مربوط به گرما را از جسمی به جسم دیگر با دمای بالا منتقل کند قانون سوم ترمودینامیک این قانون بیان می‌کند که ممکن نیست از طریق یک سلسله فرایند متناهی به صفر مطلق دست یافت.

به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است.

البته به نزدیکی‌های صفر مطلق می‌شود رسید، اما خود صفر مطلق قابل دسترس نمی‌باشد ارتباط کمیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک کمیتهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک هر سیستمی باید با هم ارتباط داشته باشند.

زیرا آنها از دو راه مختلف، وضعیت یکسانی را توصیف می‌کنند.

بویژه، باید بدانیم که کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک بیان کینم بعنوان مثال فشار یک گاز ، عملا با استفاده از فشارسنج اندازه‌ گیری می‌شود، اما از دیدگاه میکروسکوپیک ، فشار مربوط است به آهنگ متوسط انتقال اندازه حرکت ملکولهای گاز که به واحد سطح فشارسنج برخورد می‌کنند.

اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، قادر خواهیم بود قوانین ترمودینامیک را بطور کمی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم ارتباط ترمودینامیک با مکانیک آماری توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعی‌تر مکانیک آماری ، یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک است.

علاوه بر این ، بنیادی‌تر بودن نکات مکانیک آماری، به ما امکان می‌دهد که اصول عادی ترمودینامیک را تا حد قابل توجهی تکمیل کنیم چشم انداز ترمودینامیک توصیف مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه‌ گیری آن، که کم و بیش توسط حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیک است.

این توصیفها نقطه شروع تمام بررسیها در تمام شاخه‌های فیزیک هستند.

اما در ترمودینامیک توجه‌مان به داخل سیستم معطوف می‌شود، بنابراین دیدگاه ماکروسکوپی را اختیار می‌کنیم و بر آن دسته از کمیات ماکروسکوپی تاکید می‌کنیم که رابطه‌ای با حالت داخلی سیستم داشته باشند تعیین کمیتهایی که برای توصیف این حالت داخلی لازم و کافی هستند، به عهده آزمایش است.

آن کمیتهای ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط هستند، مختصات ترمودینامیک خوانده می‌شوند.

این مختصات، برای تعیین انرژی داخلی سیستمبه کار می‌آیند.

هدف ترمودینامیک ، پیدا کردن روابط کلی این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند.

سیستمی را که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم ترمودینامیکی می‌گویند انرژی درونی مجموع انرژیهای جنبشی و پتانسیل کلیه ذره‌های یک جسم را انرژی درونی آن جسم می‌نامند دیدکلی اگر دستهای خود را به هم بمالید، مشاهده می‌کنید که دستهای شما گرم تر شده است.

در این حالت انرژی جنبشی دستها کجا رفته است؟

چون دستها گرم تر شده‌اند، می‌توان نتیجه گرفت که انرژی درونی آنها افزایش یافته است.

در نتیجه می‌توان گفت که در اثر مالش انرژی جنبشی دستها به انرژی درونی آنها تبدیل شده است ماهیت انرژی درونی بنابر نظریه جنبشی مولکولی، هر ماده از ذرات ریزی تشکیل شده است که با سرعتها و در نتیجه انرژیهای متفاوت در حرکت و جنبش هستند.

علاوه بر این مانند مدل ارتعاش یک جسم جامد، ذره‌های جسم دارای انرژی پتانسیل نیز هستند.

این انرژی به فنری که در مدل ارتعاشی اتمها را به هم متصل می‌کرد، مربوط است ارتباط انرژی درونی با دما انرژی درونی چای یک فنجان که مدتی مانده و سرد شده است، کمتر از وقتی است که چای داغ بوده است.

چای یخ کرده دمای پایین تری دارد و چای داغ دمایش بالاتر است.

به این ترتیب هر چه دمای جسمی بالاتر باشد، انرژی درونی آن بیشتر است.

یعنی ذره‌های آن دارای انرژی جنبشی و پتانسیل بیشتری هستند ارتباط انرژی جنبشی با دما اگر انرژی جنبشی ذرات یک جسم را بر تعداد ذرات تشکیل دهنده جسم تقسیم کنیم، انرژی جنبشی متوسط یک ذره بدست می‌آید.

انرژی جنبشی متوسط ذرات چای داغ که دمای بالاتری دارد، بیشتر از انرژی جنبشی متوسط ذره‌های چای سرد شده است که دمای پایین تری دارد.

لذا نتیجه می‌گیریم که دمای جسم با انرژی جنبشی متوسط ذره‌های تشکیل دهنده آن متناسب است این امر در ابعاد اتمی یا ابعاد میکروسکوپی بسیار مهم و مورد توجه است.

به عنوان مثال در مباحث ترمودینامیک و مکانیک آماری با استفاده از روابط خاصی این انرژی در موارد مختلف محاسبه شده و با توجه به به مقدار آن در مورد وضعیت سیستم بحث می گردد.

بنابر این می‌توان گفت که هر چه دمای جسم بالاتر رود ، انرژی جنبشی متوسط ذره‌های آن نیز افزایش خواهد یافت انرژی جنبشی متوسط ذره‌های دو جسم متفاوت که دمای یکسانی دارند، با هم برابر است.

به عنوان یک مورد ملموس و قابل مشاهده می‌توان به این مورد اشاره کرد که انرژی جنبشی متوسط ذره‌های آبی که بوسیله یک لیوان از استخری برداشته شده است، با انرژی جنبشی متوسط ذره‌های آب استخر برابر است.

ولی به دلیل تفاوت تعداد ذره‌های آب لیوان و آب استخر، انرژی جنبشی و در نتیجه انرژی درونی یکسانی ندارند.

بلکه انرژی درونی آب لیوان به مراتب کمتر از انرژی درونی آب استخر است مکانیک آماری نگاه اجمالی در مکانیک آماری با سیستم های بزرگ سر و کار داریم.

یعنی سیستم هایی که در آنها تعداد ذرات زیاد است (N≈1023) .

در چنین سیستم هایی به دنبال یافتن پاسخ صریح به سوالات زیر هستیم سطوح انرژی قابل دسترس کدامند؟

چگونه ذرات خود را در این سطوح توزیع می کنند؟

اگر شرایط سیستم عوض شود (مثلا با تغییر دما) توزیع ذرات چگونه تغییر می کند؟

با معلوم بودن تابع توزیع چگونه می توان کمیت های تعریف کننده خواص گرمایی سیستم (مانند ظرفیت گرمایی) را بدست آورد؟

گرچه سیستم های ماکروسکوپی (بزرگ) را مطالعه می کنیم ، اما رفتار ذرات را به طور جداگانه بررسی می کنیم.

یعنی دیدگاه میکروسکوپی به کار می بریم.

در چنین برخوردی می دانیم که تعیین دقیق تاریخچه ذرات کاملا مشخص نیست.

از اطلاعات قبلی می توان گفت که یک ذره تحت تاثیر نیروی معینی قرار می گیرد روش های مطالعه سیستم های چند ذره‌ای در مورد دو ذره ، برهمکنش تعریف شده ای بین