Product Design, Manufacturing & Innovation Resources

بيت » الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري للغاز المثالي

الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري للغاز المثالي

1845

James Prescott Joule

(صورة تم إنشاؤها للتوضيح فقط)

لـ الغاز المثاليالطاقة الداخلية (U) والمحتوى الحراري (H) دالتان لدرجة الحرارة فقط. وتُعطى تغيراتهما بالعلاقتين التاليتين: ΔU = m c_v ΔT و ΔH = m c_p ΔT، حيث c_v و c_p هما الحرارتان النوعيتان عند ثبات الحجم. ضغط، على التوالي، ويفترض أنها ثابتة.

يُعدّ مبدأ اعتماد الطاقة الداخلية للغاز المثالي على درجة حرارته فقط حجر الزاوية في نموذج الغاز المثالي. وقد أثبت جيمس بريسكوت جول ذلك تجريبيًا في تجاربه على التمدد. بالنسبة للغاز المثالي، تُساوي الطاقة الداخلية مجموع الطاقات الحركية لجزيئاته المكونة له. وبما أن درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية، فإن الطاقة الداخلية دالة في درجة الحرارة. يُبسّط نموذج الغاز المثالي هذا الأمر أكثر بافتراض علاقة خطية من خلال ثبات السعة الحرارية النوعية عند ثبات الحجم، c_v. وبالتالي، فإن التغير في الطاقة الداخلية النوعية هو Δu = c_v ΔT.

Enthalpy ([latex]H[/latex]) is a thermodynamic potential defined as [latex]H = U + PV[/latex]. For a perfect gas, using the ideal gas law ([latex]PV = nRT[/latex]), enthalpy becomes [latex]H = U(T) + nRT[/latex], which is also a function of temperature only. The change in specific enthalpy is similarly given by [latex]\Delta h = c_p \Delta T[/latex], where [latex]c_p[/latex] is the constant specific heat at constant pressure. This simplification is immensely powerful in engineering, as it allows for straightforward calculation of energy changes in processes like compression, expansion, and heating without needing complex tables or equations of state, forming the basis for analyzing engines, refrigerators, and power plants.

تحليل التباين (ANOVA), تصميم التجارب (DOE), طاقة, الإنثالبي, تحسين العمليات, क्लोज्ड-लूप, नियंत्रण प्रणाली, सीएनसी, सर्वोमोटर, एनकोडर, फीडबैक, पीआईडी नियंत्रक, सटीकता, परिशुद्धता, स्वचालन, الديناميكا الحرارية

UNESCO Nomenclature: 2212

- الديناميكا الحرارية

يكتب

النموذج النظري

الاضطراب

التأسيسية

الاستخدام

الاستخدام الواسع النطاق

السلائف

القانون الأول للديناميكا الحرارية
تجربة تمدد جول
مفهوم الطاقة الداخلية
قانون الغاز المثالي
تعريف المحتوى الحراري

التطبيقات

تحليل الدورات الديناميكية الحرارية (على سبيل المثال، برايتون، أوتو)
حساب انتقال الحرارة في أنظمة الغاز
تصميم المبادلات الحرارية
نمذجة توربينات الغاز والمحركات النفاثة
هندسة العمليات الكيميائية لحسابات توازن الطاقة

براءات الاختراع:

أفكار ابتكارات محتملة

بسبب عمليات جمع البيانات من خلال برامج الروبوت، والتي تتجاوز حاليًا 40 ألفًا يوميًا، فإن هذا المحتوى مخصص لأعضاء المجتمع فقط.
> تسجيل الدخول < أو > سجل < (مجاني 100٪) للوصول إلى هذا، وكذلك جميع المحتويات والأدوات الأخرى المقيدة.

يتعلق بـ: الطاقة الداخلية، المحتوى الحراري، الغاز المثالي، قانون جول الأول، الحرارة النوعية، درجة الحرارة، الديناميكا الحرارية، توازن الطاقة، انتقال الحرارة، الدورات الديناميكية الحرارية.

السياق التاريخي

كيميائي يجري تجربة تحفيز في بيئة مختبرية تاريخية.

التحفيز

الحفز هو عملية زيادة معدل التفاعل الكيميائي عن طريق إضافة مادة تعرف باسم العامل الحفاز. لا يتم استهلاك المحفزات في التفاعل وتبقى دون تغيير. وهي تعمل من خلال توفير مسار بديل للتفاعل مع طاقة تنشيط أقل ([latex]E_a[/latex])، وبالتالي تسريع كل من التفاعلات الأمامية والعكسية دون تغيير الديناميكا الحرارية الكلية ([latex] \Delta H[/latex]).

جهاز خلايا الوقود المبكر من تصميم ويليام جروف، الذي يعرض مبادئ الكيمياء الكهروكيميائية في الكيمياء الفيزيائية.

خلية الوقود

خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يُحوّل مباشرةً الطاقة الكيميائية للوقود، عادةً الهيدروجين، وعامل مؤكسد، غالبًا الأكسجين، إلى كهرباء. على عكس البطارية، تتطلب هذه الخلية مصدرًا خارجيًا مستمرًا من الوقود والمؤكسد للعمل. مكوناتها الأساسية هي الأنود والكاثود والإلكتروليت، مما يُسهّل نقل الأيونات.

عرض توضيحي لتسخين جول في مختبر عتيق بالأجهزة الكهربائية.

جول للتدفئة والطاقة الكهربائية

تسخين جول، أو التسخين الأومي، هو الظاهرة التي تنتج فيها الحرارة عن تيار كهربي يمر عبر موصل. ويعطى معدل توليد الحرارة، أو القدرة المبددة ([latex]P[/latex])، بموجب قانون جول الأول، [latex]P = VI[/latex]. وبالجمع بين ذلك وقانون أوم، يمكن التعبير عن القدرة على الصورة [latex]P = I^2 R[/latex] أو [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري للغاز المثالي

اللزوجة المرنة

اللزوجة المرنة هي خاصية للمواد التي تُظهر خصائص اللزوجة والمرونة معًا عند تعرضها للتشوه. المواد اللزجة، مثل العسل، تقاوم تدفق القص والانفعال خطيًا مع مرور الوقت عند تطبيق إجهاد. أما المواد المرنة، مثل الشريط المطاطي، فتنفعل عند شدها وتعود بسرعة إلى حالتها الأصلية بمجرد زوال الإجهاد. تحتوي المواد اللزجة المرنة على عناصر من كليهما.

عالم يقيس التسامي في مختبر عتيق، دراسة الديناميكا الحرارية.

إنثالبي التسامي

إنثالبي التسامي، [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]، هو الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من المادة من مادة ما من مادة صلبة إلى غاز عند درجة حرارة وضغط معينين. ووفقًا لقانون هيس، بما أن الإنثالبي دالة حالة، فإن هذا التغير في الطاقة هو مجموع إنثالبي الاندماج ([latex]\Delta H_\\{\text{{fus}}[/latex]) وإنثالبي التبخير ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).

مهندسون يصممون محركاً حرارياً فعالاً في المختبر، يوضح تطبيقات الديناميكا الحرارية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يُقدّم القانون الثاني مفهوم الإنتروبيا ويُحدّد اتجاه العمليات التلقائية. يُمكن التعبير عنه بطرقٍ مُختلفة، ولكن إحدى نتائجه الرئيسية هي أن الإنتروبيا الكلية لنظامٍ معزول لا يُمكن أن تنخفض أبدًا بمرور الوقت. يُفسّر هذا القانون "سهم الزمن" ولماذا تكون العمليات غير رجعية، مثل انتقال الحرارة تلقائيًا من جسمٍ ساخن إلى آخر بارد.

1835

1838

1841

1845

1850

1834

1836

1839-01-01

1842

1847

1850

مبرد كهروحراري يوضح تأثير بلتيير في بيئة مختبرية قديمة.

تأثير بيلتييه

تأثير بلتيير هو وجود تسخين أو تبريد عند تقاطع مكهرب بين موصلين مختلفين. عندما يتدفق تيار مستمر عبر تقاطع بين مادتين غير متشابهتين، تنبعث الحرارة أو تمتصها عند الوصلة، اعتمادًا على اتجاه التيار. ويتناسب معدل انتقال الحرارة طرديًا مع التيار ([latex]Q = \Pi \cdot I[/latex]).

خلية دانييل مع أقطاب النحاس والزنك في إعداد مختبر الكيمياء الكهربائية.

عملية خلية دانييل

تُعدّ خلية دانييل تحسينًا على الكومة الفولتية، وتتكون من قطب نحاسي في محلول كبريتات النحاس الثنائي وقطب زنك في محلول كبريتات الزنك، ويفصل بينهما حاجز مسامي. يمنع هذا التصميم ثنائي السوائل تراكم غاز الهيدروجين (الاستقطاب) على القطب النحاسي، مما ينتج عنه مصدر جهد أكثر استقرارًا وموثوقيةً لفترة أطول.

التأثير الكهروضوئي

التأثير الكهروضوئي هو توليد جهد وتيار كهربائي في مادة عند تعرضها للضوء. وهي ظاهرة فيزيائية وكيميائية. ومن التطبيقات الشائعة في هذا المجال الخلية الشمسية، التي تستخدم هذا التأثير لتحويل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء. ويعتمد هذا التأثير على فوتونات الضوء التي تُثير الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى.

مختبر القرن التاسع عشر بأدوات الديناميكا الحرارية ومعادلات علاقة ماير.

علاقة ماير (الديناميكا الحرارية)

تربط علاقة ماير بين درجات الحرارة النوعية للغاز المثالي وثابت الغاز النوعي ([latex]T_s[/latex]). العلاقة هي [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. أما بالنسبة للحرارة النوعية المولية ([latex]C_p[/latex] و[latex]C_v[/latex])، فالعلاقة هي [latex]C_p - C_v = R[/latex]، حيث [latex]R[/latex] هو ثابت الغاز العام. وهذا يوضح أن [latex]c_p[/latex] دائمًا أكبر من [latex]c_v[/latex].

مختبر القرن التاسع عشر مع علماء فيزيائيين يدرسون مبادئ حفظ الطاقة.

الحفاظ على الطاقة

مبدأ أساسي ينص على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تظل ثابتة بمرور الوقت. فالطاقة لا يمكن أن تُستحدث أو تفنى، بل تتحول فقط من صورة إلى أخرى، مثل التحول من طاقة وضع إلى طاقة حركية. في الميكانيكا الكلاسيكية، بالنسبة للأنظمة ذات القوى المحافظة فقط، تكون الطاقة الميكانيكية الكلية [latex]E = T + V[/latex] محفوظة.

إعداد مختبري لقياس لزوجة السوائل عند درجات حرارة متفاوتة في الديناميكا الحرارية.

اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة

في السوائل النيوتونية، اللزوجة دالة لدرجة الحرارة والضغط، وليست معدل القص. في السوائل، تنخفض اللزوجة بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، لأن الطاقة الحرارية العالية تُمكّن الجزيئات من التغلب على قوى التماسك بين الجزيئات بسهولة أكبر. على العكس، في الغازات، تزداد اللزوجة مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث تؤدي زيادة تصادمات الجزيئات بسرعات أعلى إلى زيادة انتقال الزخم.