فرآیند بی دررو یا آدیاباتیک

فرآیند بی دررو فرآیند ترمودینامیکی است كه در آن بین محیط و سیستم، گرمایی رد و بدل نمی‌شود. Q=0

برای اینكه گرما بین سیستم و محیط مبادله نشود باید سیستم عایق‌بندی شده باشد. . Q+W=∆U

 

 

در فرآیند بی دررو Q=0  است لذا هنگام انبساط دمای گاز كاهش  و هنگام تراكم  دمای گاز افزایش می یابد.

در انبساط   W<0 پس ΔT <  0  یعنی دما كاهش می یابد و در تراكم   W >0 .  پس دما افزایش  می یابد.

 

در اینجا تغییرات انرژی درونی ، برابر كار اعمال شده بر سیستم است.

 

1) اگر گاز منبسط شود، سیستم به محیط كار می‌دهد و انرژی درونی كم می‌شود.

 

2)  اگر گاز متراكم شود، سیستم از محیط كار می‌گیرد و انرژی درونی زیاد می‌شود.

 

  

فرآیندهایی كه بسیار سریع انجام می‌شوند را هم می توان فرآیند بی دررو در نظر گرفت. چون در این فرآیندها سیستم، فرصت تبادل انرژی گرمایی با محیط را پیدا نخواهد كرد. 

 

نکته: در این فرآیند می توان دستگاه را عایق  بندی كرد و سپس عمل  تراكم یا انبساط را بسیار  آهسته انجام  داد.

 

نمودار P – V در فرآیند بی دررو :

 

نکته: چون در فرآیند بی دررو Q=0 پس افت فشار در فرآیند بی‌دررو انبساط، و افزایش فشار در فرآیند بی دررو تراکم از افت فشار یا افزایش فشار در فرآیند همدما بیشتر است. یعنی شیب نمودار P-V در فرآیند بی‌دررو، از افت فشار یا افزایش فشار در فرآیند همدما بیشتر است.

 

اگر مقداری گاز كامل را از حالت اولیه P₁,V₁ یك بار به صورت هم دما منبسط كنیم و حجم آن را به V₂ برسانیم، فشار گاز به P2 خواهد رسید. اگر گاز را از حالت اولیه به صورت بی‌دررو به حجم V₂ برسانیم فشار حالت نهایی P _́2 می‌گردد. با توجه به نمودار، مشخص شده است كهP _́2 كمتر از P₂ خواهد بود.

 

 

در فرآیند همدما در حین انبساط مقداری گرما از چشمه گرمایی گرفته می‌شود تا دما ثابت بماند. ولی در فرآیند بی‌دررو، تبادل گرمایی نداریم.افت فشار در فرآیند بی‌در رو بیشتر از فرآیند هم دماست.

 

چون نمودارهای P-V برای دو فرآیند همدما و بی‌دررو به صورت منحنی است، برای تشخیص نمودار مربوط به هر یك از فرآیندها داریم:

 

1) اگر فرآیند همدما باشد، باید دما در دو انتهای مسیر برابر باشد.  PV=nRT→

2) در فرآیند همدما P₁ V₁ = P₂ V₂  اگر در غیر این صورت فرآیند بی‌دررو خواهد بود.

 

تمرین:

در نمودارهای جدول زیر نوع فرآیند را تعیین كنید.

 

      

 

تمرین:

 كدام یك از   فرآیند  های نشان داده شده در شكل های زیر هم دما و كدام یك بی دررو است ؟

 

دستگاه ها می توانند فرآیندی را طی کنند که از مجموع چند فرآیند تشکیل شده باشد.

فرآیندی که در طول آن دستگاه پس از طی چند فرآیند به حالت اولیه خود بر می گردد چرخه نامیده می شود.

 

در چرخه ی پاد ساعتگرد :       U = 0       ,     W = - Q = S

در چرخه ی ساعتگرد :          U = 0      ,     W = - Q =  -S

 

نکته: تغییر انرژی درونی ΔU دستگاه  به مسیر  تحول بستگی ندارد ولی  Q ,W  به مسیر تحول وابسته هستند.

 

 

گرما وانرژی در مولدهای بخار

الف- گرما

---

 

گرما :

شکلی از انرژی که از جنبش مولکولی ناشی می شود. فرض می شود مولکولهای هر ماده بطور پیوسته در جنبش اند و شدد گرما ( یا دما ) به سرعت لرزش مولکولی بستگی مستقیم دارد در صورتیکه آهنگ لرزش جسمی افزایش یابد دمای افزایش و در صورتیکه آهنگ لرزش کاهش یابد دما نیز کاهش می یابد.

برای درک کامل این موضوع در نظر داشته باشید که فقط در صفر مطلق 459.8 – درجه فارنهایت هیچ گونه جنبش مولکولی و بنابراین هیچ گرمایی وجود ندارد و این بدین معنی است که مولکولهای هر جسم بالای صفر مطلق حرکت ثابتی دارند .

 

گرم کردن اجسام :

 

گرم کردن جسم سبب

1- بالا رفتن دما،

2- تغییر حالت ، به طور مثال از جامد به مایع یا مایع به گاز

3- انجام کار بیرونی به وسیله انبساط جسم جامد، مایع یا گاز می شود.

اگر به یخ گرما داده شود تا به آب تبدیل شود و بنابراین بدون افزایش دما تغییر حالت دهد تمام این آثار دیده می شود حال چنانچه گرما دادن ادامه یابد تا آب به نقطه جوش برسد دمای آن افزایش می یابد بدون آنکه تغییر حالت دهد سرانجام اگر باز هم گرما داده شود آب بخار می شود که تغییر حالتی دیگر است اما دمای آن افزایش نمی یابد .

با تولید بخار فشاری نیز به دیواره مخزن که بخار در آن محفوظ است اعمال می شود اگر این مخزن سیلندری حاوی پیستون متحرک باشد بخار می تواند پیستون را حرکت داده کار خارجی انجام دهد.

 

انتقال گرما :

 

بهتر است که گرما را مانند سیالی در نظر بگیریم که از جسمی به جسم دیگر جریان پیدا می کند ولی به بیان دقیق هیچ ماده فیزیکی منتقل نمی شود مولکولهای ماده گرمتر نسبت به ماده سردتر با آهنگ بالاتری حرکت می کنند بنابراین زمانی که دو جسم با دمای مختلف با هم تماس پیدا کند جنبش مولکولی در جسم سردتر افزایش و در جسم گرمتر کاهش می یابد تا تعادل برقرار شود گرما معمولا از جسم گرمتر به جسم سردتر انتقال می یابد مگر اینکه به کمک عاملی بیرونی ( مثلا در سرد کننده ها ) جهت انتقال گرما به طور مصنوعی برعکس انجام شود.

 

دما :

 

معیاری از شدت گرما یا درجه گرمی یا سردی با مقدار گرما یا سرما تفاوت دارد ممکن است جسمی کوچک و جسمی بزرگ دقیقا دمای یکسان داشته باشد ولی بدیهی است که جسم بزرگ مقدار گرمای بسیار بیشتری از جسم کوچک دارد.

 

 

 

ب- اندازه گيری دما

---

اهمیت اندازه گیری دما :

 

به دلیل کنترل کیفیت ، زیرا دمای بخار ( درجه سوپر هیت ) عملیات گرمایی فلزات ، استریل کردن ، پاستوریزه کردن شیر، پالایش نفت ، و کار ایمن ماشین آلات در هر صنعتی که شامل فرایندهای گرمایش و سرمایش باشد به طور گسترده ای به اندازه گیری دما بستگی دارد.

 

یکاهای دما :

در مقیاس دمای فارنهایت اختلاف دما بین نقطه انجماد و تبخیر آب به 180 قسمت یا درجه تقسیم می شود رقم 32 درجه فارنهایت را نقطه انجماد و 212 درجه فارنهایت را نقطه تبخیر در نظر می گیرند .

در مقیاس دمای سانتیگراد اختلاف دما بین یخ و بخار آب به 100 قسمت یا درجه تقسیم می شود صفر درجه سانتیگراد نقطه انجماد نسبی و 100 درجه سانتیگراد نقطه تبخیر آب است .

مقیاس دمای کلوین مقیاس دمای مطلق است پائین ترین دمای نظری یا صفر مطلق صفر درجه کلوین وضعیتی است که در آن دما مولکولها از جنبش باز می ایستند و هیچ گرمایی وجود ندارد.

در مقیاس فارنهایت این نقطه 459.8 درجه کلوین زیر صفر و در مقیاس سانتیگراد 273 درجه سانیگراد زیر صفر نقطه انجماد آب 273 درجه کلوین یا صفر درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن 373 درجه کلوین یا 100 درجه سانتیگراد است.

 

منظور از دمای مطلق :

 

حجم گاز کامل تحت فشار ثابت به ازای هر درجه سانتیگراد کاهش دما ، به اندازه 273/1 حجم آن در صفر درجه سانتیگراد کاهش می یابد از مطلب معلوم میشود که در 273 درجه سانتیگراد زیر صفر در مقیاس سانتیگراد حجم گاز به صفر می رسد و جنبش مولکولی که سبب ایجاد گرما می شود کاملا متوقف می شود این دمای بسیار پائین صفر مطلق نامیده می شود و پائین ترین دمایی است که می توان به آن دست یافت.

محاسبات دمای مطلق از صفر درجه مطلق صورت می گیرد برای تبدیل درجه فارنهایت به درجه مطلق عدد 460 و در تبدیل درجه سانتیگراد به درجه مطلق عدد 273 اضافه می شود.

 

یکاهای اندازه گیری دما :

 

دما بر حسب درجه اندازه گیری می شود دماسنجها گستره دماهای معمولی تا 1000 درجه فارنهایت را اندازه گیری می کنند برای اندازه گیری دماهای بسیار بالا و بیرون از گستره کار دماسنجها از آذرسنج ( پیرومتر ) استفاده می شود.

 

ساختمان دماسنج:

 

دماسنج لوله ای است شیشه ای که سوراخ بسیار باریکی در وسط دارد یک سر آن به شکل حباب است و سر دیگر بسته شده حباب و قسمتی از لوله با مایع که معمولا جیوه یا الکل در آن است پر می شود هوای باقی مانده لوله را تخلیه می کنند بجز در دماسنجهای مورد استفاد ه در دماهای بسیار بالا که فضای باقی مانده با گاز مخصوصی پر می کنند گستره های تقریبی کار دماسنجهای شیشه ای متداول عبارت اند از:

 جیوه ای از (750 تا 38- ) درجه فارنهایت

جیوه و نیتروژن از ( 1000 تا 38- ) درجه فارنهایت

 الکل از ( 150 تا 95- ) درجه فارنهایت

وقتی جیوه یا الکل در معرض هوا یا مایعی گرمتر از خود قرار گیرند منبسط می شوند و در لوله بالا می روند انبساطی جزئی سبب حرکت قابل توجه رو به بالا می شود مقیاس درجه ای که روی شیشه دماسنج جیوه ای چاپ شده دما را نشان می دهد.

1- دما سنج را در فشار مطلق 14.7 psi درون یخ ذوب شده قوطه ور و سر ستون جیوه را نشان گزاری می کنند این نقطه به نام صفر درجه سانتیگراد نقطه انجماد آب می باشد .

2- دماسنج را در آب جوش در فشار مطلق 14.7 psi قوطه ور و سر ستون جیوه را نشان گزاری می کنند این نقطه به نام صد درجه سانتیگراد نقطه جوش آب است .

3- فاصله بین نقاط انجماد و جوش را بر حسب مقیاس سلسیوس یا فارنهایت به ترتیب به 100 قسمت یا 180 قسمت مساوی تقسیم می کنند .

دما سنج سلسیوس مقیاس منطقی تری نسبت فارنهایت دارد و معمولا در محاسبات علمی از مقیاس سلسیوس استفاده می شود ولی فارنهایت در بین مهندسان و افراد دیگری برای مقاصد روزانه به طور وسیع تری مورد استفاده قرار می گیرد .

 

 اندازه گیری دماهای بسیار بالا :

 

آذرسنجها می توانند دماهایی بالاتر از گستره کار دماسنجها را اندازه گیری کنند انواع آنها متعدد است ولی آذرسنجهای الکتریکی از همه متداولترند ترموکوبل و آذرسنجهای نوری از این جمله اند .

در ترموکوبل دو میله فلزی غیر هم جنس در یک لوله چینی متصل و درز بندی شده اند سیمها به این میله ها و به یک گالوانومتر وصل می شوند لوله حاوی میله ها در نقطه ای قرار می دهیم که هدف اندازه گیری دمای آن می باشند به افزایش دمای میله ها ولتاژی الکتریکی در محل اتصال القا می شود که با اختلاف دما بین اتصال گرم و اتصال سرد متناسب است جریان حاصل در مدار جاری می شود و عقربه گالوانومتر را حرکت می دهد صفحه مدرج گالوانومتر بر مبنای دما درجه بندی می شود .

آذرسنج نوری شامل تلسکوپی با یک فیلامان ( رشته ) کوچک است که وقتی جریان الکتریکی از آن می گذرد گرم و سرخ می شود در مدار فیلامان یک باطری و یک گالوانومتر قرار دارد که به وسیله مقاومت متغییری که در تلسکوپ نصب شده جریان گذرا از فیلامان را تغییر می دهیم تا به هنگا م تمرکز یافتن تلسکوپ روی شعله یا دیواره کوره ، فیلامان کاملا از نظر محو شود. در این نقطه دما روی صفحه مدرج خوانده می شود .

بر خلاف ترموکوبل هیچ قسمتی از آذرسنج نوری در معرض گرمای مستقیم کوره نیست و می توان در فاصله ای مناسب از شعله دما را اندازه گیری کرد کار این وسیله به این حقیقت بستگی دارد که رنگ و دما با هم رابطه ای یکسان دارند .

آذرسنج نوری الکتریکی دارای یک باطری است ولی ترموکوبل باطری لازم ندارد

.

 

مقدار گرما :

 

مقدار گرما با واحد گرمایی بریتانیا ( Btu ) سنجیده می شود . یک Btu 180/1 گرمای لازم برای افزایش دمای یک پوند آب از 32 تا 212 درجه فارنهایت یا مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک پوند آب به اندازه یک درجه فارنهایت است.

 

ج- گرمای ويژه :

---

 

گرمای ویژه :

مقدار گرمای لازم به Btu برای افزایش دمای یک پوند از ماده مورد نظر به اندازه یک درجه فارنهایت است .گرمای ویژه بعضی از مواد متداول

 

ماده Btu/ib °f) ( گرمای ویژه

 

آب   1

یخ  0.49

چدن   0.13

مس     0.093

 

انتقال گرما:

 

انتقال گرما به سه طریق است

تشعشعی ، هدایت ، جابه جایی

 

تشعشعی :

 

 در این روش انتقال گرما از جسم گرم به وسیله امواج اثیری با ماهیتی مشابه امواج نوری است گرمای تابشی همچنان از هوا می گذرد آن را گرم نمی کند ولی اجسام جامد که مانع تابش اند آن را جذب یا منحرف می کنند در کوره دیگ و کلیه قسمتهایی که در معرض آتش اند تابش مستقیم گرما داریم .

 

هدایت :

 

تماس مولکولهای یک جسم با یکدیگر سبب عبور گرما از میان جسم می شود برای مثال اگر یک سر میله ای آهنی در معرض آتش قرار بگیرد در زمان کوتاهی سر دیگر آن که در دست ماست به سبب هدایت گرما از سر میله که گرم و سرخ شده است ، داغ می شود و دیگر نمی توان آن را در دست نگه داشت در این حالت گرما از طریق یک رشته برخورد منتقل می شود مولکولهای گرم و تند رو به مولکولهای سرد و کند رو برخورد کرده آنها را سرعت می بخشد بدین طریق گرما از دیواره های لوله و شبکه های دیگر عبور کرده به آب انتقال می یابد.

همانطور که میدانید اجسام دارای الکترونهای آزاد در خود می باشند که می توانند حامل انرژی گرمایی و همینطور انرژی ا لکتریکی در خود باشند . که متناسب با نوع ماده ( ضریب انتقال حرارت هدایتی K ) کم( در اجسام عایق) و زیاد (در اجسام رسانا) می باشد.

 

جابه جایی:

 

انتقال گرما به وسیله جریان یافتن را جابه جایی می نامند.

همچنان که گاز یا مایعاتی که درون ظرفی قرار دارند با گرم شدن انبساط می یابند و تمایل به بالا رفتن دارند لایه های سردتر گاز یا مایع که در بالا هستند به علت سنگینی نسبت به گاز یا مایع گرم به سمت پائین جریان می یابند و جای لایه های گرم شده را می گیرند بدین ترتیب جریانهای همرفتی برقرار می شوند. و کل گاز یا مایع به تدریج گرم شده دمای آن یک نواخت می شود بدین شیوه است که رادیاتور بخار ، هوای اتاق را با دمای یکسان گرم نگه می دارد آب درون دیگ بخار نیز به کمک جریانهای همرفتی ناشی از جریان رو به بالای آب گرم سبک و در تماس سطح داغ و جریان رو به پائین آب سرد سنگین که در بالا قرار دارد گرم می شود

.

 

شدت انتقال حرارت :

 

رسانندگی گرمایی به آهنگ عبور گرما از میان جسم اشاره می کند این آهنگ برای مواد مختلف فرق می کند و ممکن است به صورت مقدار گرما به Btu بر ساعت مشخص شود که در قطعه ای به مساحت یک فوت مربع و ضخامت یک اینچ سبب اختلاف دمای دو سطح مقابل جسم به اندازه یک درجه فارنهایت می شود. رسانندگی گرمایی با دما چگالی و مقدار رطوبت تغییر می کند به همین دلیل جدول رسانندگی گرمایی اجسام تنها مقادیر تقریبی را به ما می دهد معمولا رسانندگی در فلزات با افزایش دما کاهش می یابد ولی در اغلب مواد دیگر رسانندگی با افزایش دما افزایش می یابد .

 

ضریب انبساط طولی یک جسم جامد:

 

ضریب انبساط طولی نسبت افزایش طول جسم بر اثر انبساط به طول اولیه جسم است وقتی یک درجه فارنهایت گرما می بیند به بیان دیگر مقدار انبساط واحد طول به ازای افزایش یک درجه است .

 

انبساط و انقباض مایعات :

 

بیشتر مایعات در زمان گرم شدن منبسط می شوند و در زما ن سرد شدن منجمد،انبساط مایعات بیشتر از جامدات است و در صورتیکه در محفظه بسته ای محفوظ باشند فشار زیادی ایجاد می کنند مایعات مختلف میزانهای انبساط مختلفی دارند اتر ، الکل و نفتهای سبک مثل بنزین میزان انبساط بسیار بیشتری از آب دارند برای این مایعات انبساط را به صورت حجمی اندازه گیری می کنیم وضریب انبساط حجمی انبساط هر واحد حجم با افزایش یک درجه فارنهایت است .

 

اینگونه نبود رودخانه ها و دریاچه ها در هوای سرد منجمد می شدند و زندگی تمام گیاهان و حیوانات به خطر می افتاد ترکیدن لوله ها و مخزن های آب به دلیل نیروی انبساطی آب در حین انجماد است .

 

رفتار گازها:

 

زمانی که گازها گرما ميبينند حجم يا فشارشان افزايش می يابد و بر عکس در زمان سرد شدن حجم يا فشارشان کاهش می يابد اين تغييرات از دو قانون ساده چارلز و گيلوساک پيروی ميکند .

در زمان استفاده از اين دو قانون در مسائل لازم است که قانون ساده دیگر یعنی قانون بویل ماریوت را که با تغییرات فشار و حجم سرو کار دارد مطالعه کنیم زیرا تغییر دما غالبا با تغییر فشار همراه است .

 

قانون بویل ماریوت:

 

قانون بويل ماريوت بيان ميدارد که (چنانچه دمای گازی ثابت باقی بماند ، فشار مطلق گاز نسبت به نحجم به طور معکوس تغییر خواهد کرد ) مطابق این قانون اگر به فشار افزوده شود حجم متناسب با آن کاهش پیدا می کند یا برعکس .

مثلا اگر 10 فوت مکعب گاز تحت فشار 10 psi مطلق باشد و فشار به psi مطلق افزایش دهیم حجم به 5 فوت مکعب کاهش پیدا می کند به طور خلاصه در دمای ثابت با دو برابر کردن یکی، عامل دیگر نصف می شود

.

 

قانون چارلز :

 

این قانون بیان می کند که ( چنانچه حجم را ثابت نگه داریم فشار مطلق گاز مستقیما با دمای مطلق تغییر خواهد کرد توجه کنید که این قانون تناسب مستقیم است اگر دما 30 درصد بالا رود فشار مطلق نیز 30 درصد افزایش می یابد.

 

قانون گیلوساک :

 

قانون فوق بیان می کند که ( چنانچه فشار ثابت باشد ، حجم یک گاز با دمای مطلق به طور مستقیم تغییر خواهد کرد )

 

تراکم دما ثابت( ایزوترم ) :

 

انبساط یا تراکم گازی در دمای ثابت است یعنی دما حین انبساط یا تراکم ثابت می ماند این حالت هنگامی پدید می آید که تغییرات بر اساس قانون بویل ماریوت صورت گیرد .

عملا هیچگاه انبساط یا تراکم دما ثابت رخ نمی دهد حتی سیلندر کمپرسوری که با آب سرد می شود ، نمی تواند گرما را به سرعت کافی دفع کند و بنابراین دمای هوا به هنگام تراکم به سرعت افزایش می یابد .

 

تراکم آدیاباتیک ( بی دررو ) :

 

به وضعیتی می گویند که دما در حین تراکم افزایش و در حین انبساط کاهش می یابد بدون آنکه گرما از طریق دیواره ها ی سیلندر تلف یا جذب شود شرایط مذکور هرگز عملا به طور دقیق تحقق نمی یابد اگر چه در بعضی موتورهای گاز سوز یا کمپرسورهای هوا حالتی نسبتا نزدیک به این وضعیت اتفاق می افتد.

 

د- اصطلاحات مربوط به بخار آب

---

 

 بخار آب :

 

آب در وضعیت نیمه گاز را بخار آب می گویند اگرچه بخار آب با تغییری در قوانین ساده گازها رفتاری مانند گازهای ایده آل دارد اما بخار است نه گاز یعنی ماده ای بین حالتهای مایع خالص و گاز .

 

چگونگی تولید بخار از آب به درون دیگ بخار :

 

گرمای کوره از فلز شبکه و لوله ها به آب رسانده می شود و آب مستقیما از فلز گرما می گیرد آب پس از گرم شدن به سمت بالا می رود و آب سرد به علت سنگینی به سمت پائین حرکت می کند با جریانهای همرفتی که بدین ترتیب برقرار می شوند همه آبها به تدریح تا رسیدن به نقطه جوش گرم می شوند حال با ادامه گرما دادن آب به بخار تغییر فاز می دهد در فرایند فوق هیچ تغییر وزنی وجود ندارد یک پوند آب به یک پوند بخار تبدیل می شود.

 

نقطه جوش آب :

 

نقطه جوش آب در سطح دریا در فشار یک اتمسفر 212 درجه فارنهایت است با کاهش فشار نقطه جوش کاهش و با افزایش فشار نقطه جوش افزایش می یابد.

 

گرمای محسوس :  

 

گرمای لازم برای افزایش دمای آب از 32 درجه فارنهایت به نقطه جوش است افزایش دما را می توان با دماسنج اندازه گیری کرد از این رو اصطلاح گرمای محسوس متداول شده است

.

 

گرمای نهان تبخیر :

 

مقدار گرمای لازم برای تبدیل آب در نقطه جوش به بخار با همان دما و فشار است کلمه نهان به معنی پنهان است و چون در تغییر حالت از مایع به بخار هیچ نشانی یا اثری از افزایش گرما دیده نمی شود در اینجا بکار برده می شود.

 

گرمای کل بخار :

 

مجموع گرمای محسوس و نهان آن است . در جدیدترین جدولهای بخار در تعریف فوق به جای گرما از واژه انتالپی استفاده می شود بنابراین گرمای محسوس انتالپی مایع گرمای نهان ، انتالپی تبخیر و گرمای کل ، انتالپی بخار می شود .

آب یا بخار در نقطه جوش را اشباع می گویند .

 

بخار اشباع :

 

بخار ی است که از آب تولید می شود و به زحمت می توان آن را بخار نامید هر گونه اتلاف گرما بدون افت فشار فورا بخار اشباع را تقطیر و به آب تبدیل می کند .

 

بخار اشباع خشک :

 

اگر بخار اشباع ، همان گونه که از آب تولید می شود هیچ گونه رطوبتی به صورت معلق در آن نداشته باشد ( یعنی قطرات کوچک آب به صورت مایع که در مه یافت می شود ، در آن نباشد ) بخار را خشک می گویند. حال چنانچه دارای رطوبت باشد آن را بخار تر می نامند .

بخار خشک کاملا غیر روئیت است ظاهر سفید و مه مانند بخاری که در هوا تخلیه می شود ناشی از وجود ذرات آب مایع است که بصورت معلق در بخار وجود دارند .

 

کیفیت بخار ( عیار ) :

 

کیفیت بخار مستقیما به مقدار آب یا رطوبت بخار نشده موجود در بخار اشاره می کند اگر بخار کاملا خشک باشد کیفیت آن صد در صد ولی اگر دارای 2 در صد رطوبت باشد کیفیت آن 98 در صد خواهد بود .

 

تعیین عیار بخار :

 

بوسیله دستگاهی بنام کالری متر صورت می گیرد این دستگاه در سه نوع وجود دارد کالری متر بارل نوع ابتدائی و دقت چندانی ندارد

کالری متر اختناقی تا 7 درصد در فشار 400 psig تعیین می کند .

کالری متر مجزا وسعت اندازه گیری بیشتری دارد و دقیق تر از دو نوع قبل می باشد.

 

بخار سوپر هیت :

 

بخار سوپر هیت بخاری با دمای بالاتر دمای اشباع و در فشار مفروظ است با گذراندن بخار اشباع از درون لوله مارپیچی که در معرض گرمای گاز کوره است می توان آن را گرم کرد بخاری که دمایش افزایش یافته یا فوق گرم شده است برای اینکه تقطیر یابد می بایست به اندازه دمای فوق گرم شدن افت دما پیدا کند.

ای مسئله در کار نیروگاه فواید قابل ملاحظه ای دارد زیرا اتلاف گرمای تابشی در لوله های بخار را ممکن می کند در لوله های بخار خطر آسیب دیدن خطوط لوله و سیلندرهای موتور به وسیله ضربه قوچ آب را کاهش می دهد بازده گرمایی موتورها و توربین ها را بهبود می بخشد و اثرات مضر رطوبت اضافی در مراحل کم فشار توربین های بخار را کاهش می دهد .

 

اثرات افزایش یا افت ناگهانی فشار در مخزن تحت فشار بخار :

 

افزایش فشار بدون افزایش متناظر دما سبب تقطیر مقداری بخار خواهد شد زیرا در این حالت دما افت می کند و از نقطه جوش کمتر می شود حال چنانچه فشار افت کند دمای بخار بالاتر از نقطه جوش رفته سبب سوپر هیت شدن بخار می شود.

چنانچه افت فشار در یک دیگی صورت گیرد که در آن بخار با آب تماس است به علت پائین آمدن نقطه جوش مقداری از آب به بخار تبدیل می شود .

اگر افت فشار به طور ناگهانی بوسیله گسسته شدن یا شکستن قسمتهایی از دیگ صورت گیرد ، ممکن است بخش بزرگی از آب درون دیگ فورا به بخار تبدیل شود که سبب وقو ق انفجاری خطرناک می شود چون یک پوند بخار در فشار اتمسفر در حدود 1600 برابر فضای اشغال شده به وسیله یک پوند آب را اشغال می کند انرژی انفجاری آزاده شده توسط چنین فشار ناگهانی بسیار زیاد خواهد بود .

 

استفاده از بخار در نیروگاه با کاربرد گرمایشی :

 

 

با بررسی جداول بخار در می یابیم که بیشتر گرمای کل مورد نیاز برای تبدیل آب به بخار برای مایع جوشان به بخار تبدیل می شود نه برای افزایش دما و این گرمای نهان را بخار پس نمی دهد مگر اینکه تقطیر یابد و به آب تبدیل شود.

در سیستم گرمایش در رادیاتورها و یا کویل های حرارتی ، بخار چگالش یافته به آب تبدیل می شود و از این طریق گرمای نهانش را از دست می دهد بنابراین قسمت بیشتر گرمای بخار در زمان استفاده از بخار برای گرمایش کار مفید انجام می دهد و در نتیجه سیستم از بازده بالائی برخوردار است.

در نیروگاه که بخار برای تولید برق مصرف می شود خروجی توربین هنوز به شکل بخار است و قسمت بیشتر گرما ی اولیه در بخار می ماند.

 

دما و فشار بحرانی بخار :

 

اگر بخاری تحت شرایطی تولید شود که فشار از صد ها psi تجاوز نکند و بدون افزایش متناظر دما و فشار را تنها بتوان چند پوند افزایش داد مقداری از بخار تقطیر می شود که به خاطر بالا رفتن دمای جوش است .اگر فشار به 3206.2psi  و متقابلا دما نیز به 705 درجه فارنهایت برسد هیچگونه فشار اضافی سبب کاهش بخار نخواهد شد.

در این نقطه چگالی آب و بخار یکسان است و گرمای نهان تبخیر کاملا ناپدید می شود از این رو اگر از آب تحت فشار 3206.2 psi  مطلق تا دمای 705 درجه فارنهایت گرم شود بدون اینکه نیاز به گرمای بیشتری باشد به بخار تبدیل می شود مقادیر 3206.2 psia  و دمای 705 درجه فارنهایت ،فشار و دمای بحرانی گوئیم .

موجودیت آن در دمای بالاتر از 705 درجه فارنهایت بصورت مایع غیر ممکن است .

 

تبخیر معادل :

 

کلیه دیگهای تحت شرایط فشار و دمای آب تغذیه یکسان کار نمی کنند بنابراین وزن واقعی آب در هر ساعت بخار می شود یا هر پوند زغال که می سوزد به روش مناسبی برای مقایسه دیگهای مختلف نیست مگر اینکه شرایط فشار و دما دقیقا مشابه باشد اما می توانیم اساس مقایسه ای را برای هر گونه شرایط فشار و دمای آب تغذیه با مطابق کردن عملکرد دیگ با شرایط استاندارد مهیا کنیم .

مقدار آب به پوند که با گرما دادن به مدت 1 ساعت و با یک پوند سوخت از آب 212 درجه فارنهایت به بخار 212 درجه فارنهایت با فشار یک اتمسفر تبدیل می شود یکی از شرایط مورد نظر است این مقدار تبخیر معادل از 212 درجه فارنهایت و در 212 فارنهایت به ازای هر پوند سوخت است.

مقدار گرمای لازم برای تبخیر یک پوند آب در 212 درجه فارنهایت 970 Btu است .

چنانچه گرمای کل برای تبخیر در هر ساعت یا بر هر پوند سوخت را بر 970 تقسیم کنیم تبخیر معادل 212 درجه فارنهایت در هر ساعت یا هر پون به دست می آید.

 

ظرفیت بندی دیگهای بخار :

 

گاهی اوقات ظرفیت اسمی اسب بخار بر اساس فوت مربع سطح گرمایش برای لیسانس یا مقاصد دیگر پذیرفته می شود اما بخاطر متفاوت بودن طراحی و شرایط عمل دیگهای با سطح گرمایش یکسان ممکن است از لحاظ ظرفیت بخار دهی فرق کنند که خود اندازه حقیقی قدرت دیگ است .

یک روش ظرفیت بندی دیگها بر اساس عملکرد واقعی ، مقدار آبی است که در هر فوت مربع سطح گرمایش در هر ساعت تبخیر می شود که بطور خلاصه آن ر ا تبخیر معادل می گویند.

روش دیگر بر اساس گرمای خروجی بخار بر حسب Btu/hr است .

سومین روش که بر اساس تبخیر است یک اسب بخار دیگ ( خروجی واقعی ) را برابر تبخیر 34.5 پوند آب در ساعت از آب 212 درجه فارنهایت به بخار 212 درجه فارنهایت با فشار 1 اتمسفر در نظر می گیرد برای پیدا کردن اسب بخار واقعی خروجی در روش آخر باید تبخیر واقعی را بر حسب پوند آب بر ساعت بیان می شود به تبخیر معادل تبدیل و سپس آن را بر 34.5 تقسیم می کنند اسب بخار دیگ ارتباطی به اسب بخار موتور ندارد از روش فوق برای اندازه گیری ظرفیت دیگهای کوچک استفاده می شود .

 

بازده یک مولد بخار :

 

بازده یک مولد صد در صد خواهد بود به شرطی که مولد ارزش گرمایی سوخت را به طور کامل جذب کند .

متاسفانه وسایل سوزاندن سوخت و کوره نمی توانند از ارزش کامل سوخت بهره برداری کنند و در نتیجه مولد بخار مرتبط با مانعی در مقابل خود برخورد می کند از لحاظ نظری بازده مولد بخار نسبت گرمای جذب شد ه به وسیله آب تغذیه به گرمای آزاد شده در کوره است .چون عملاجداسازی اتلاف کوره از اتلاف مولد بخار مشکل است نهایتا بازده ظاهری می تواند سودمند باشد و مرسوم است که بازده واحد تولید بخار را با نسبت گرمای خروجی بخار به گرمای ورودی که سوخت ایجاد می کند مشخص کند .

 

دلایل اصلی پائین بودن بازده کوره های دیگ :

 

پائین بودن بازده ممکن است به علت طراحی ضعیف دیگ و ساخت بد آن باشد فضای احتراق ممکن است بسیار کوچک باشد عبور گاز در مسیر کوتاهی صورت گیرد صفحه های میانی در مکانهای اشتباه تعبییه شده باشد دیوارهای نسوز به گونه ای نامناسب به پوشش بیرونی چسبیده باشند .

بازده کم دیگهای موجود از نشت هوای سرد به داخل کوره از لابه لای درزهای آجرهای کوره و همچنین انتقال بد گرما ار بین توده های دوده و رسوبات روی سطوح گرمایش دیک ناشی می شود .

 

گرمای ویژه آب :

 

مقدار گرمای مورد نیاز به Btu برای افزایش دمای آب به میزان یک درجه فارنهایت را گرمای ویژه آب می گویند گرمای ویژه متوسط در فشار اتمسفر 180/1 گرمای مورد نیاز برا ی افزایش دما به میزان 180 درجه از 32 درجه تا 212 درجه فارنهایت است می توان گرمای ویژه متوسط را با دقت کافی برابر یک در نظر گرفت .

 

گرمای ویژه بخار سوپر هیت :

 

مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای یک پوند بخار گرم در فشار ثابت به میزان یک درجه فارنهایت را گرمای ویژه بخار سوپر هیت شده می گویند این کمیت با فشار و دما تغییر می کند یعنی تابعی از فشار و دما است و گرمای ویژه متوسط برای یک فیلامان از شرایط مشخص با تقسیم کردن افزایش گرما بر حسب Btu که از جداول بخار فوق گرم پیدا می شود ، بر افزایش دما بر حسب فارنهایت بدست می آید.

قانون بویل

تعداد معینی مولکول های گاز را وارد ظرفی می کنیم که به یک پیستون متحرک مجهز می باشد. در دمای ثابت، میانگین انرژی جنبشی مولکول های گاز تغییر نمی کند. چنان چه پیستون را پایین ببریم، وحجم را به نصف کاهش دهیم، همان تعداد مولکول اکنون در نصف حجم اولیه قرارمی گیرند، چون تعداد برخوردهای مولکول های گاز، با دیواره ظرف دوبرابرشده است، پس فشار دو برابرافزایش می یابد با تکرار آزمایش درحجم های مختلف متوجه می شویم که حجم با فشار نسبت عکس دارد.





قانون بویل :


چنان چه تعداد مولکول ها و دمای گاز ثابت باشند، فشار وارد شده به وسیله گاز، با حجم اشغال شده توسط گاز، نسبت معکوس دارد.

P=k/V

دراین عبارت P فشار و V حجم و k مقدار ثابتی است که تعداد مولکول های گاز ودما را به حساب می آورد.

باتوجه به ثابت بودن k دردمای ثابت، برای تعداد معینی گاز، می توان رابطه زیر را نیز نتیجه گرفت.

P₁ V₁= P₂ V₂

روی شکلک کلیک کنید

گزارشکار:بدست آوردن یا تخمین زدن صفر مطلق به روش برون یابی

هدف : بدست آوردن یا تخمین زدن صفر مطلق به روش برون یابی .
ابزار و مواد لازم:
بالن، درپوش، لوله و گیره، حمام آب سرد، استوانه مدرج، دما سنج، تشت پلاستیکی و آب
تئوری آزمایش :
مقدمه :
ما در این آزمایش علاوه بر بررسی رابطۀ بین حجم گاز و درجه حرارت اطلاعات کافی برای صفر مطلق ( صفر درجه کلوین ) از طریق روش برون یابی بدست می آوریم . برون یابی روشی است که از طریق رسم منحنی می توان یک مقدار عددی که خارج از محدودۀ آزمایش می باشد را تعیین کرد. نقطه مرجع در مقیاس دمای مطلق (273,15-) سانتیگراد است. این نقطه را صفر مطلق می‌گویند، معنای آن تنها پس ار روشن شدن ارتباط منشا گاز با انرژی جنبشی اتمهای آن با توجه به نظریه جنبشی گازها روشن شد. این نظریه بیان می‌کند که حرکت اتمها در صفر مطلق به کلی متوقف می‌شود، ولی این توضیح درست نیست در واقع مکانیک کلاسیک قادر به توضیح این پدیده نیست، ولی مکانیک کوانتومی آن را به خوبی توضیح می‌دهد.
نظریه جنبشی گازها :
نظریه جنبشی گازها ، الگویی برای تبیین نظم و ترتیب مشاهده شده در رفتار تمام گازها به دست می دهد . در 1738 میلادی ، دانیل برنولی قانون بویل را با این فرض که فشار گاز نتیجه برخورد مولکول های گاز با دیواره ی ظرف است ، تبیین کرد . توضیح برنولی ، اولین و ساده ترین تفسیر جنبه های کلیدی نظریه جنبشی است .
این نظریه در اواسط سدۀ نوزدهم توسط بسیاری از دانشمندان، به ویژه کرونیگ ، کلازیوس ، ماکسول و بولتزمان مورد توجه قرار گرفت و گسترش داده شد .
نظریه جنبشی گازها ، شامل پدیده های زیر است :
• گاز ها از مولکول هایی که در فضا کاملا از همدیگر جدا هستند ، تشکیل یافته اند . حجم واقعی هر یک از مولکولها در مقایسه با حجم کل گاز ، ناچیز است . واژۀ مولکول در این جا برای مشخص کردن کوچک ترین ذره هر گاز به کار می رود ; برخی از گاز ها ( مثلا گازهای نجیب ) شامل اتم های ترکیب نشده اند .
• مولکول های گاز در حرکت مستقیم الخط ، سریع ، و مداوم هستند ; با یکدیگر و با دیوارۀ ظرف برخورد می کنند . گرچه در این برخورد ها ممکن است انرژی از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل شود ، ولی انرژی جنبشی ( انرژی حرکت ) از میان نمی رود .
• انرژی جنبشی میانگین مولکول های یک گاز به دما بستگی دارد ; با افزایش دما ، زیاد می شود . در یک دمای معیین ، مولکول های تمام گاز ها دارای انرژی جنبشی میانگین یکسان هستند .
• نیروی جاذبۀ بین مولکول های گاز ، ناچیز و قابل چشم پوشی است .
قوانین گاز ها را بر اساس نظریه جنبشی می توان تبیین کرد . قانون بویل را در نظر بگیرید . بر اساس نظریه جنبشی ، فشار گاز ناشی از برخورد های مولکولی با دیواره ظرف است . اگر تعداد مولکول ها در واحد حجم ( غلظت مولکولی ) افزایش یابد ، فشار نیز به علت افزایش تعداد برخورد ها در واحد زمان ، بالا خواهد رفت . کاهش حجم یک گاز باعث تجمع مولکول ها در فضای کوچک تری خواهد شد ; غلظت مولکولی افزایش خواهد یافت و فشار نیز متناسب با آن ، بالا خواهد رفت .
قانون شارل و قانون آمونتون ، خواص گاز ها را به تغییرات دما مربوط می سازد . انرژی جنبشی میانگین مولکول های ، به طور نظری ، صفر است ; مولکول ها بی حرکت اند . چون حجم مولکول های یک گاز ایده آل قابل صرف نظر کردن است ، حجم یک گاز ایده آل در دمای مطلق نیز ، به طور نظری ، صفر است .افزایش دما ، حرکت سریع مولکول ها را سبب می شود . برخورد مولکول های گاز با دیوارۀ ظرف ، شدید تر و بیشتر میشود . در نتیجه فشار به شیوه ای که قانون آمونتون پیش بینی می کند ، بالا می رود .
فشار گازی که گرما به آن داده می شود ، در صورتی ثابت می ماند که حجم آن افزایش یابد . افزایش حجم ، سبب کاهش تعداد برخورد های مولکول ها با دیواره ظرف در واحد زمان می شود و به این ترتیب فشار را ثابت نگه می دارد . به این ترتیب کاهش تعداد برخورد ها با افزایش شدت برخورد ها جبران می شود . قانون شارل بیانگر این وضعیت است.
صفر مطلق :
1- فیزیک در صفر مطلق
نظریه جنبشی گازها بیان می‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلی متوقف می‌شود و دمای مطلق T تنها معیاری از اندازه انرژی جنبشی اتم هاست و بس. اما این توضیح هر چند ساده واضح است،درست نیست. اکثر دماها در فلزات حتی در دمای T = 0 نیز با سرعتهای بالا حرکت می‌کنند. مکانیک کوانتومی برای خیلی از مفاهیم توضیحات طبیعی دارد از جمله دمای مطلق و صفر مطلق.

2- مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی
مفهوم صفر مطلق در نظریه کوانتومی معنای روشن و قاطعی دارد، در میان ترازهای انرژی هر دستگاه کوانتومی ترازی وجود دارد که با پایینترین انرژی متناظر است و در مثال ما ، این حالت حالتی است که اسپین همه الکترونها در راستای مخالف میدان قرار می‌گیرند. در صفر مطلق ، دستگاه در حالت پایه است، از اینرو نمی‌تواند به دستگاه دیگری انرژی انتقال دهد، دقیقا بدین سبب که تراز پایینتری وجود ندارد که بعد از ، از دست دادن انرژی به آن انتقال یابد.

3- دست نیافتنی بودن صفر مطلق
هر کسی می‌داند که دمای جسم را نمی‌توان تا صفر مطلق پایین آورد، هر چند می‌توان به آن نزدیک شد. برای اینکه دمای جسمی را تا صفر مطلق پایین بیاوریم لازم است مقداری متناهی گرما از آن بگیریم. برای اینکار از چرخه کارنو استفاده می‌کنیم :
T1/T2 = φ1/φ2


بدیهی است که در این نظر در چرخه کارنو مقدار گرما یا دما مطرح نیست، بلکه نسبت آنها مهم است. اکنون دیگر مشکل نیست که بفهمیم چرا برای پایین آوردن دمای جسمی تا صفر مطلق باید تعداد بی شماری مراحل را پشت سر گذاشت. هر مرحله می‌تواند یک چرخه بسته یا یک فرآیند تک ، مثل انبساط بی دررو گاز در حال سرد شدن باشد. در هر مرحله مقداری متناهی کار انجام می‌گیرید و دما به نسبت متناهی پایین می‌آید. از آنجا که هر مرحله مدت زمانی طول می‌کشد، زمان لازم برای پایین آوردن دمای جسم تا صفر مطلق لزوما نامتناهی است.
صفر مطلق و نظریه جنبشی گازها :
می‌توان پرسید که آیا دست نیافتنی بودن صفر مطلق در نظریه جنبشی گازها متفاوت است، آیا کسی می‌تواند اسپین همه الکترونها را به حالت پایه پایین بیاورد (به عنوان مثال ، آنقدر صبر کند که همه فزونی انرژیشان را تابش کنند. اما این سوال چیزی را روشن نمی‌کند. اگر دستگاه در یک فضای تهی نامتناهی بود و انرژیِ تابشی از آن برای همیشه دور می‌شود، اسپینها به یقین همه انرژیشان را از دست می‌دادند و دستگاه به حالتی متناظر با صفر مطلق می‌رسید. اما دستگاه در داخل حجمی باشد که دیواره‌های آن در دمای ثابت نگه داشته می‌شود، آنگاه دستگاه دارای دمای دیواره‌ها می‌شود، در این صورت ممکن نیست بدون انجام دادن کار این دما را پایین تر آورد.
شرح آزمایش :
جهت بدست آوردن حجم واقعی ارلن، آن را از آب پر می کنیم سپس درپوش را بر روی ارلن قرار داده و لولۀ متصل به درپوش را به آرامی در ارلن فرو می کنیم تا میان درپوش و لوله حباب ایجاد نشود سپس جهت کاهش خطا میزان فرو رفتن لوله و در پوش را علامت می زنیم تا در طول آزمایش تغییر حجم نداشته باشیم . سپس حجم آب درون ارلن را خارج کرده و اندازه گیری می کنیم و به عنوان حجم اولیه ( V0 ) یادداشت می کنیم .
پس از اندازه گیری حجم واقعی ارلن ، ارلن را خشک کرده ( با استفاده از استون یا حرارت دادن به ارلن ) و سپس درپوش و لولۀ متصل به درپوش را در جای علامت گذاری شده قرار داده و به کمک گیره آن را درون حمام آب گرم (آب جوش با دمای 100درجه سانتی گراد ) قرار می دهیم و به ارلن زمان می دهیم تا هوای درون ارلن با محیط اطراف ( حمام آب گرم ) یکی شود . سپس با انگشت راه لوله را مصدود کرده و از حمام آب گرم خارج کرده و به صورت برعکس در حمام آب سرد قرار می دهیم و با برداشتن انگشت راه لوله را باز می کنیم و سپس به ارلن زمان می دهیم تا هوای درون ارلن با محیط اطراف ( حمام آب سرد ) یکی شود . پس از به تعادل رسیدن دمای هوای درون ارلن با حمام دوباره به کمک انگشت راه لوله را مصدود می کنیم و ارلن را از حمام خارج می کنیم و حجم آب وارد شده به ارلن را اندازه گیری می کنیم و به عنوان حجم ثانویه ( V1 ) یادداشت می کنیم . این آزمایش را چند مرتبه دیگر با تغییر دمای حمام آب سرد ادامه می دهیم .
نمونه محاسبات:
به کمک حجم اولیه ( V0 ) :
حجم اولیه → 117

و با استفاده از تفریق حجم اولیه (V0 ) با حجم ثانویه ( V ) :
فضای خالی V0 – V = V →
و با قرار دادن اعداد به دست آمده در محور y ها و قرار دادن دماهای مربوط به اعداد به دست آمده در محور x ها ، نمودار مربوطه را رسم نموده و معادله خط مربوطه را بدست می آوریم .
Y = 0/2412 X + 40/38
در نتیجه با بدست آوردن X از راه معادله :
Y = aX + b → Y = 0 → X = -b/a
در نتیجه معادلۀ بالا مقدار X ( صفر مطلق ) برابر است با : 41/167-
جدول اطلاعات و نمودار :

نتیجه گیری:

از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که نظریه جنبشی گازها بیان می‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلی متوقف می‌شود و دمای مطلق T تنها معیاری از اندازه انرژی جنبشی اتم هاست و یکی از ساده ترین راه های تقریب زدن صفر مطلق استفاده از قانون گاز ایده آل است که در این آزمایش نیز از این راه استفاده شده است.
همچنین در دما و فشار ثابت ، حجم یک گاز با تعداد مول های آن نسبت مستقیم دارد . تعیین صفر مطلق به روش برون یابی بر اساس رابطۀ مستقیم بین درجه حرارت و حجم می باشد .
منابع خطا:
• ثابت نبودن فشار در آزمایش زیرا به علت پایین نرفتن کامل ارلن به درون آب حمام سرد و همچنین کوچک بودن ظرف حمام آب گرم که باعث می شود ارلن تا حد کافی درون حمام نرود باعث ایجاد خطای نامبرده می شود .
• وجود حباب در انتهای درپوش لاستیکی زیرا در هنگام اندازه گیری حجم اولیه ارلن به کمک آب ، در صورت قرار دادن همزمان درپوش و لوله بر روی ارلن در انتهای درپوش و کنار لوله حباب هایی تشکیل می شود .
• متعادل نشدن دمای حمام آب گرم و سرد با حجم هوای درون ارلن.

منابع و ماخذ:

کیمیاگری | مرجع تخصصی گزارش کار شیمی

گزارشکار:تعیین گرمای واکنش سود جامد در آب

هدف: تعیین گرمای واکنش سود جامد درآب

ابزار و مواد لازم:

ارلن مایر، استوانه مدرج، همزن، دماسنج، ترازو، سود جامد، اسید کلریدریک

تئوری آزمایش :

مفهوم ظرفیت گرمایی :
"ژول" با آزمایش نشان داد که هرگاه مقدار معینی از انرژی مکانیکی به گرما تبدیل شود، مقدار گرمای حاصل همیشه یکسان است. بنابراین هم‌ارزی گرما و کار مکانیکی به‌عنوان دو شکل انرژی کاملا محرز است. " هلمهولتز " اولین کسی بود که بوضوح بیان کرد که نه‌تنها گرما و انرژی مکانیکی ، بلکه تمام شکلهای انرژی هم‌ارزند و مقدار معینی از یک شکل انرژی از بین نمی‌رود، مگر آنکه همان مقدار در یکی از شکلهای دیگر انرژی ظاهر شود، بنابراین گرما صورتی از انرژی است.
حال اگر چنانچه بخواهیم دمای جسمی را به اندازه واحد افزایش دهیم، در این صورت بسته به نوع جسم ، این مقدار گرما متفاوت خواهد بود. کلمه ظرفیت، در ظرفیت گرمایی بویژه گمراه کننده است، چون عبارت مقدار گرمایی را که یک جسم می‌تواند نگه دارد، به یاد می‌آورد که اساسا بی‌معنا است.اصولا می‌توان ظرفیت گرمایی را به‌عنوان یک ثابت تناسب در نظرگرفت، یعنی مقدار گرمای داده شده به یک جسم با تغییر دمای آن جسم متناسب است و با ضرب کردن ظرفیت گرمایی در طرف دوم این رابطه ، رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل می‌شود، یعنی نسبت مقدار انرژی گرمایی که به یک جسم داده می‌شود، بر افزایش دمای متناظر با آن را ظرفیت گرمایی آن جسم می‌گویند به عبارت دیگر نسبت گرمای مبادله شده با سیستم به تغییر دمای ناشی از مبادله گرما را ظرفیت گرمایی می گویند.
ظرفیت گرمایی واحد جرم یک جسم را ظرفیت گرمایی ویژه آن جسم و ظرفیت گرمایی به ازای یک مول از ماده را ظرفیت گرمایی مولی می گویند. گرما از طریق آثار آن بر جسمی که از آن عبور می کند بررسی می شود. می توان تصور کرد که هر جسم ظرفیتی برای گرما دارد. هر چه در یک جسم تغییر دما به علت انتقال مقدار مشخصی از گرما کم تر باشد، ظرفیت آن بیش تر است. مشکل این است که C را، مانند Q، به جای یک تابع حالت، یک کمیت وابسته به فرایند می کند. انرژی داخلی ماده با افزایش دما زیاد می شود. این افزایش به شرایطی بستگی دارد که گرما داده می شود. ظرفیت گرمایی در حجم ثابت را با CV نمایش می دهند و چنین تعریف می شود:

شکل 1 - با افزایش دما انرژی داخلی سیستم زیاد می شود. در این نمودار تغییرات آن در حجم ثابت نشان داده شده است. شیب نمودار در هر دمایی که به صورت خطوط مماس در A و B نشان داده شده اند ظرفیت گرمایی در حجم ثابت در آن دماست. توجه کنید که برای سیستم مورد نظر، ظرفیت گرمایی در B بزرگتر از مقدار آن در A است.

به بیان دیگر گرمای ویژه هر جسم عبارت است از مقدار گرمایی که باید به یک کیلو گرم از آن جسم داده شود تا دمای آن یک درجه سلسیوس افزایش یابد.
گرمای ویژه C = Q/m∆Ө Q = mC∆Ө

که Q گرمای واکنش، m جرم، C گرمای ویژه، ∆Ө اختلاف دما می باشد.


شرح آزمایش :
در این آزمایش می خواهیم با استفاده از رابطه فوق میزان گرمای واکنش را برای حالت های زیر مشخص کنیم:
1- تعیین گرمای واکنش سود جامد در آب.
2- تعیین گرمای واکنش سود جامد در محلول اسید کلریدریک.
3- تعیین گرمای خنثی شدن محلول سود در محلول اسید کلریدریک.
برای این منظور ابتدا قبل از مخلوط کردن مواد، دمای معمولی آب و نیز محلول اسید کلریدریک را با دماسنج اندازه می گیریم سپس وزن50 cc از هر کدام را توسط ترازو اندازه می گیریم و سپس دمای واکنش سود با آب و محلول اسید کلریدریک را به طور جداگانه و نیز دمای حاصل از واکنش محلول سود در محلول اسیدکلریدریک را اندازه گیری کرده و با استفاده از رابطه، گرمای حاصل از واکنش در هر حالت را بدست می آوریم.
Cشیشه = 0.2 cal/gr 0C Cمحلول = 1 cal/gr 0C
محاسبات:

1- تعیین گرمای واکنش سود جامد در آب :
(دمای آب) T1 = 27 0C
∆T = 4 0C
(دمای آب + سود) T2 = 31 0C


ارلن m = 126.5 gr
آب m = 174.8 – 126.5 = 48.3 gr
ارلن+آب m =174.8 gr
Q = ∆T (mcارلن + mcآب) = 4 0C (126.5gr× 0.2 cal/gr + 48.3 gr × 1 cal/gr)

Q = 294.4 cal


2- تعیین گرمای واکنش سود جامد در محلول اسید کلریدریک :


(دمای اسید) T1 = 26.5 0C
∆T = 4 0C
(دمای اسید + سود) T2 = 30.5 0C


ارلن m = 126.5 gr
اسید m = 176.7 – 126.5 = 50.2 gr
ارلن+اسید m =176.7 gr


Q = ∆T (mcاسید + mcسود+ mcارلن) = 4 0C (50.2gr× 1+ (1× 1) + 126.5× 0.2)

Q = 306 cal

3- تعیین گرمای خنثی شدن محلول سود در محلول اسید کلریدریک :


T1 =25.5 0C
∆T = 2 0C
T2 = 27.5 0C


ارلن m = 126.5 gr
اسید m = 176.7 – 126.5 = 50.2 gr
سودm = 50.49gr


Q = ∆T (mcاسید + mcسود+ mcآب) = 2 0C (50.2gr× 1+ (50.49× 1) + 126.5× 0.2)

Q = 251.98 cal
نتیجه گیری:

از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که هر چه ظرفیت گرمایی یک ماده بیشتر باشد، آن جسم دیرتر گرم شده و وقتی گرم شد دیرتر سرد می شود که مقدار آن ثابت بوده واین امر برمقدار گرمای واکنش تاثیر گذار است.


منابع خطا:


• خطا در نشان دادن اعداد و ارقام توسط دما سنج و خطا در خواندن آنها.
• عدم اندازه گیری دما بلا فاصله پس از واکنش که در اثرافت دمای واکنش خطا در اندازه گیری دما بوجود می آید.

منابع و ماخذ:

• کتاب شیمی فیزیک / اتکینز / غ- پارسافر و جلد اول: ترمودینامیک محمد مهدی منتظر رحمتی

گزارشکار:بمب کالریمتر جهت تعیین آنتالپی

هدف : آشنایی با شیوه آزمایش بمب کالریمترجهت تعیین آنتالپی و گرمای آزاد شده


ابزار و مواد لازم:

بمب کالریمتر، دماسنج، ترازو، سود جامد، پتاسیم نیترات.

تئوری آزمایش :
انرژی درونی (U) : به مجموع انرژی های ناشی از جنبش ذرات یک جسم می باشد بعبارتی انرژی درون ملکول.
انرژی آنتالپی (H) : همان انرژی درونی است که در یک سیستم با انرژی مدخل یا مخرج یک سیستم جمع شده است.
باید توجه داشت که انرژی آنتالپی فقط برای سیستم باز تعریف می شود در ضمن به انرژی آنتالپی،انرژی فشاری گفته می شود. (مجموع U و P و A )، همچنین همواره انرژی درونی باید از انرژی آنتالپی در معادلات کمتر باشد.
H = U + PV
∆H = ∆U + ∆ (PV) ∆U = ∆H - ∆ (PV)

قانون اول ترمو دینامیک در سیستم های بسته به صورت زیر تعریف می شود:
∆U = Q – W
در قانون دوم ترمودینامیک انرژی های کوچک و اتلاف انرژی نیز محاسبه می شود.
∆U = T∆S - W
∆H - P∆V - V∆P = T∆S - P∆V ∆H = V∆P + T∆S
قانون اول بیان می دارد که هر سیستم به اندازه مقدار انرژی ایی که می گیرد، می تواند کار انجام دهد. بعبارتی مجموع گرما های گرفته شده برابر است با مجموع کارهای انجام شده ( ΣQ = ΣW) توسط سیستم در این قانون هیچ صحبتی از میزان تلفات انرژی نشده که این نقص قانون اول است که در قانون دوم این نقص جبران شده است. به یاد داشته باشید که 0 < ( ∆Ssys + ∆Ssurr) مجموع تغییرات بی نظمی سیستم و محیط همواره بزرگتر مساوی صفر است.
در کاربرد قانون اول، حوزه نفوذ هر فرآیند خاص به دو بخش سیستم و محیط آن تقسیم می شود. بخشی که فرآیند در آن روی می دهد سیستم است و هر چیزی که سیستم با آن ارتباط داشته باشد محیط می باشد. قانون اول نه فقط برای سیستم بلکه برای سیستم و محیط صدق می کند. انرژی داخلی به شکل آنتالپی، یک تابع حالت است و برای محاسبه مقادیر گرما و کار برای تجهیزات به کار می رود. برخی از خواص ترمو دینامیکی مرتبط با انرژی داخلی،به علت اهمیت کاربرد ترمودینامیک در فرآیند های عملی تعریف می شود که آنتالپی در این بخش معرفی می شود. آنتالپی مانند حجم و انرژی داخلی، یک کمیت مقداری است ولی آنتالپی ویژه یا مولی یک خاصیت درونی است.


شرح آزمایش :
در ابتدا به کمک یک استوانه مدرج، 100 cc آب مقطر را داخل ظرف کالریمتر ریخته و پس از رسیدن به تعادل دمایی، دمای داخل کالریمتر را خوانده و آن را یادداشت می کنیم. 2 گرم سود جامد را وزن کرده و آن را داخل کالریمتر ریخته و آن را به آرامی هم میزنیم تا سود در آب کاملا حل شود. هنگامی که دمای محلول برای مدتی حدود سه الی چهار دقیقه ثابت ماند و با هم زدن کالریمتر تغییر نکرد، می توان این دمای ثابت را به عنوان دمای تعادل یادداشت کرد و از نتایج برای محاسبات استفاده کرد.
اگر گرمای ویژه کالریمتر را ( 1 cal/gr 0C ) در نظر بگیریم و با توجه به تغییر دما،گرمای آزاد شده را بدست می آوریم. سپس آنتالپی انحلال یک مول سود را در آب در شرایط آزمایش بدست می آوریم. همین آزمایش را برای انحلال نیترات پتاسیم در آب نیز انجام می دهیم.


محاسبات:


1- انحلال سود جامد در آب داخل کالریمتر :
(دمای آب) T1 = 21 0C
∆T = 5 0C
(دمای آب + سود) T2 = 26 0C

گرمای آزاد شده = Q

سود m = 2 gr
Q = ∆T (mcمحلول +A) = 5 (176.8× 1+ 2) = 894
+آب کالریمتر m = 174.8 gr

Q = 894 cal

∆H = Q/m× 40 ∆H = (894/2)× 40 = 17880


برای انحلال 2 گرم نیترات پتاسیم نیز طبق نمونه بالا عمل می کنیم.با این تفاوت که :

(دمای آب + نیترات پتاسیم) T2 = 180C


نتیجه گیری:

از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که انرژی داخلی به شکل آنتالپی، یک تابع حالت است و برای محاسبه مقادیر گرما و کار برای تجهیزات به کار می رود. از این آزمایش می توان نتیجه گرفت که ظرفیت گرمایی یک ماده ثابت بوده واین امر برمقدار گرمای واکنش تاثیر گذار است.

منابع خطا:

• خطا در نشان دادن اعداد و ارقام توسط دما سنج و خطا در خواندن آنها.


• خطا در برداشتن دقیق حجم ها و وزن ها که سبب ایجاد خطا در محاسبات می شود.

منابع و ماخذ:

• جلد اول: ترمودینامیک مهندسی شیمی-تالیفدکتر محمد مهدی منتظر رحمتی- ویرایش پنجم.

گزارشکار:تعیین مرتبه و ثابت سرعت واکنش

هدف: تعیین مرتبه و ثابت سرعت واکنش.

ابزار و مواد لازم:

ارلن مایر، بشر، پی پت، پیست، بورت، استوانه مدرج، همزن مغناطیسی، کرنومتر، محلول 0.1 مولار اتیل استات، محلول 0.1 مولار سدیم هیدروکسید، کلریدریک اسید، معرف فنل فتالئین.

تئوری آزمایش :
مقدمه ایی برکنترل سرعت واکنش
یکی از راههایی که شیمیدانان قادر به جهت دهی یک واکنش هستند کنترل سرعت واکنش ها می باشد.برای واکنش هایی که در فاز گازی انجام می گیرند مانندAB+C=A+BCسالهاست که از مطالعات باریکه های مولکولی استفاده شده است، تا ارتباط بین جمعیت حالتهای انرژی درونی مولکولها را با سرعت و محصولات واکنش های مربوط نشان دهد که این مطالعات واکنش های سطح را نیز در بر گرفته و بررسی نظری قادر به توصیف دوباره قسمت عمده ی مشاهدات شده است.
مفهوم سرعت واکنش
سرعت واکنش،عبارت از تغییر غلظت هر یک از مواد اولیه یا مواد حاصل نسبت به زمان انجام واکنش است. سرعت یک واکنش ، روند تبدیل مواد واکنش دهنده به محصول در مدت زمان معینی را نشان می‌دهد. سرعت واکنشها یکی از مهمترین بحثها در سینیتیک شیمیایی است. شیمیدانها همیشه دنبال راهی هستند که سرعت واکنش مفید را بالا ببرند تا مثلا در زمان کوتاه بازده بالایی داشته باشند و یا در پی راهی برای کاهش سرعت یا متوقف ساختن برخی واکنشهای مضر هستند.هدف از مطالعه سرعت یک واکنش این است که بدانیم آن واکنش چقدر سریع رخ می‌دهد.ترمودینامیک شیمیایی ، امکان وقوع واکنش را پیش‌بینی می‌کند، اما سینتیک شیمیایی چگونگی انجام یک واکنش و مراحل انجام آن و سرعت پیشرفت واکنش را بیان می‌کند. از لحاظ سرعت ، واکنشها به چند دسته تقسیم می‌شوند:
۱) واکنشهای خیلی سریع که زمان انجام این واکنشها خیلی کم و حدود ۰,۰۰۰۱ ثانیه است.
۲) واکنشهای سریع که زمان انجام این واکنشها کم و در حدود حساسیت انسان به زمان (ثانیه) است.
۳) واکنشهای معمولی ، اکثر واکنشهایی که در آزمایشگاهها با آنها سر و کار داریم از این نوع هستندودرحدوددقیقه‌هایاچن� �ساعت طول می‌کشند.
۴) واکنشهای کند که در حدود روزها و هفته‌ها طول می‌کشند.
۵) واکنشهای خیلی کند که در حدود سالها و قرنها طول می‌کشند.
فقط تعداد اندکی از واکنشهای شیمیایی در سراسر فرآیند با سرعت ثابتی پیش می‌روند. بیشتر واکنشها در آغاز واکنش که غلظت واکنش‌دهنده‌ها بالا است با سرعت پیش رفته و با کم شدن غلظت از سرعت کاسته شده و با کامل شدن واکنش به صفر می‌رسد. برخی از واکنشها هم سرعت آنها پس از مدتی ثابت می‌ماند. چنین واکنشهایی ، واکنشهای تعادلی نام دارند.
متغیر هایی که بر سرعت واکنش اثر می گذارند :
متغیر هایی زیادی سرعت واکنش را تغییر می دهند . در سیستم های همگون ، دما ، فشار غلظت متغییر های واضحی هستند . در سیستم های غیر همگون بدلیل آنکه بیش از یک فاز موجود می باشد، مسئله پیچیده تر می شود . در طول واکنش مواد باید از فازی به فاز دیگر منتقل شوند بنابراین سرعت انتقال جرم می تواند مهم باشد، مثلا در احتراق ذغال سنگ نفوذ اکسیژن در فیلم گازی محیط بر قطعه ذغال، و لایه خاکستر موجود در سطح آن ممکن است عامل مهمی در محدود کردن سرعت واکنش به شمارآید بعلاوه انتقال حرارت نیز ممکن است اهمیت داشته باشد. مثلا واکنش گرمازائی را درنظر می گیریم که در سطح داخلی یک کاتالیزور جامد متخلخل صورت می گیرد. در این حالت مواد ترکیب شونده بایستی داخل تخلخل کاتالیزور شده و محصولات واکنش آزاد می شود. در صورتیکه واکنش سریع بوده و حرارت فورا خارج نگردد، توزیع دمای بسیا نا مجانسی در داخل در داخل قطعه کاتالیزور ایجاد می گردد که بنوبه خود سبب حاصل شدن سرعت های گوناگونی در نقاط مختلف آن می شود .
هر چه واکنش سریع تر باشد مسائل انتقال جرم و حرارت مهم تر بوده و در فعل و انفعالهای بسیار تند حتی ممکن است عوامل محدود کننده واکنش به شمار آیند . بنابراین در واکنش های غیر همگون، انتقال حرارت و جرم عوامل مهمی در مشخص کردن سرعت واکنش می باشد .در تمام موارد، در صورتیکه واکنش شامل تعدادی از مراحل پشت سر هم باشد، کند تین آن ها مهمرین اثر را داشته و می توان گفت که عامل کنترل کننده فعل و انفعال می باشد، مسئله مهم مشخص کردن اثرات متغییر ها بر روی هر یک از مراحل و شدت این تاثیرات است. تنها با دانستن کمیت هر یک از این عوامل است که می توان تصویر روشنی از اثرات آنها بر روی سرعت واکنش بدست آ ورد. بعلاوه فقط داشتن این اطلاعات است که امکان استفاده از نتایج آزمایشگاهی را در تخمین و طرح دستگاه های بزرگ صنعتی میسر می سازد.

انرژی فعالسازی
حداقل انرژی لازم که بایستی واکنش‌دهنده‌ها بگیرند تا بتوانند وارد واکنش شوند. انرژی فعالسازی برای تمام واکنش‌های شیمیایی چه گرماگیر و چه گرماده وجود دارد و معمولا از انرژی برخورد میان مولکولها تامین می‌شود.

شرح آزمایش :
ابتدا دو محلول 1/0 مولار اتیل استات (CH3COOC2H5) و سدیم هیدروکسید(NaOH) به میزان هر کدام 100 میلی لیتر ساخته و درون یک بشر 400 می ریزیم و محلول حاصل را به کمک یک همزن مغناطیسی تا پایان آزمایش به هم می زنیم.
پس از ثابت شدن دمای محلول با محیط اطراف هر 51 دقیقه به میزان 20 میلی لیتر از محلول نامبرده را برداشته و درون ارلن می ریزیم و آزمایش را به صورت زیر انجام می دهیم.
20 میلی لیتر از محلول را درون ارلن ریخته و به آن چند قطره فنل فتالئین اضافه می کنیم سپس محلول درون ارلن را با هیدروکلریک اسید 1/0 مولار تیتر می کنیم و از اعداد به دست آمده را در محاسبات مورد نظر استفاده می کنیم .


محاسبات:


بار اول (15 دقیقه) :

V (asid) =1/3 N1×V1 = N2×V2

→ x = /0065 0/1 × 1/3 =20×x

-ln CA/CA0 =KT → -ln .0065/0.1 = K×15 → -ln CA/CA0 = 2/733




بار دوم ( 30 دقیقه) :

V (asid) =1 N1×V1 = N2×V2

→ x = /005 0/1 × 1 =20×x

-ln CA/CA0 =KT → -ln.005/0.1 = K×30 → -ln CA/CA0 = 2/995


بار سوم (45 دقیقه) :

V (asid) = 0/8 N1×V1 = N2×V2

→ x = /004 0/1 ×0/8=20×x

-ln CA/CA0 =KT → -ln.004/0.1 = K×45 → -ln CA/CA0 = 3/218




بار چهارم (60 دقیقه) :

V (asid) =0/7 N1×V1 = N2×V2

→ x = /0035 0/1 × 0/7 =20×x

-ln CA/CA0 =KT → -ln.0035/0.1 = K×60 → -ln CA/CA0 = 3/352

نمودار اطلاعات:

نتیجه گیری:

از این آزمایش نتیجه می گیریم که سرعت یک واکنش شیمیایی متناسب است با تغییرات مول i نسبت به زمان . نتیجه ی دیگری که می توان از این آزمایش گرفت این است که اگر سرعت واکنش بر حسب مواد واکنش دهنده بیان شود عدد سرعت عدد منفی خواهد بود نتیجه ی دیگری که از این آزمایش میگیریم این است که یکی از روش های پیدا کردن K استفاده از روش انتگرال است که در این آزمایش نیز از این روش استفاده شده است .

منابع خطا:


• خطا در خواندن اعداد بورت و گذشتن از نقطه ی پایان تیتراسیون(هم عرضی اکی والان).


• خطا در برداشتن حجم های دقیق از محلول که سبب ایجاد خطا در محاسبات می شود.

منابع و ماخذ:


• طراحی راکتورهای شیمیایی ( ترجمه دکتر مرتضی سهرابی ) صفحات : 11 و 12 و13 و 17.
• توضیحات اساتید مربوطه