نظام (تحريك حراري)

نظام (تحريك حراري)[عدل]


[size][rtl]
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.
[/rtl][/size][size][rtl]
أنظمة الترموديناميكا معهودة لنا في حياتنا اليومية فعدما نركب سيارة يقوم محرك الاحتراق الداخلي بتحريكنا ، وإذا شئنا السفر بالقطار قامت الآلة البخارية أو محرك ديزلبتحريك القطار ، وإذا استغنينا عن القطار وأردنا السفر بالطائرة قامت المحركات النفاثة بالارتفاع بنا والسفر في الجو ، وغيرها وغيرها ، كلها محركات نزودها بالوقودالمناسب 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.

[/rtl][/size]

1النظام المفتوح

2النظام المغلق

3النظام المعزول

4مثال دورة كارنو

5أنظر أيضا

6المراجع

7وصلات خارجية

[size][rtl]

النظام المفتوح[عدل]

[/rtl][/size][size][rtl]
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 :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
حيث نسمي :
([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] التغير في الطاقات الخارجية.
ويعرف "الشغل التقني" بتعريفات مختلفة ، ولكن معظمها بعني الجزء [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]) الذي يشمل حاصل ضرب الحجم في تغيرالضغط.
بجانب هذا الشغل ينشا عند مدخل التوربين ومخرجه شغل إزاحي. فإذا كانت كتلة الجسيمات [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] عند المدخل بالحجم [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] وعند المخرج بالحجم [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة], يكون الشغل الإزاحي عند المدخل [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] وعند المخرج [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
يشكل كلا الشغلان الإزاحييان جزءا من انثالبية السيل الداخل والسيل الخارج بالإضافة إلى الطاقة الداخلية:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وتكون الموازنة للنظام المفتوح المستقر :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وباستخدام رمز اقدرة :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
والطاقة الخارجية نحصل على:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
بذلك تكتمل صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية عند تطبيقها على نظام مفتوح :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
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:
[/rtl][/size][list="margin-top: 0.3em; margin-right: 3.2em; margin-left: 0px; padding-right: 0px; padding-left: 0px; list-style-image: none; line-height: 24.32px; color: rgb(37, 37, 37); font-family: arial; font-size: 15.2px; background-color: rgb(255, 255, 255);"]
[*]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 [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] نجد التغير في الحجم [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] سالب الإشارة يكون الشغل المؤدى على النظام موجب الإشارة.

[*]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.

[/list]
[size][rtl]
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 :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
مع
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
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):
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
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 :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
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:
[/rtl][/size][size][rtl]
في هذا الشكل يظهر أداة الشغل (نظام) الذي قد يكون بخارا أو سائلا يمكن تسخينه بحرارة Q_H 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 Q_H حتى الغليان بواسطة فرن ، وكانQ_C 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".
[/rtl][/size]