دستگاه های ترمودینامیکی می توانند فرایندهای مختلفی را طی کنند. در بین این فرایند ها، فرایندهای خاصی وجود دارند که کاربرد آنها وسیع تر است. از جمله فرایند هم حجم ، فرایند هم فشار ، فرایند هم دما و فرایند بی دررو . در ادامه این مطلب به توصیف فرایند بی دررو می پردازیم.
فرایند بی دررو
بنابراین در فرایند بی دررو Q=0 است. در نتیجه قانون اول ترمودینامیک برای این فرایند به صورت زیر در می آید.
در انبساط بی درروی گاز آرمانی، کار محیط روی گاز (دستگاه) منفی است. در نتیجه انرژی درونی گاز و دما کاهش می یابد. در تراکم بی دررو، عکس این اتفاق رخ می دهد و انرژی درونی گاز و دما افزایش می یابد.
مثال ۱: وقتی در یک نوشابه گازدار خیلی سرد را سریع باز کنیم، مشاهده می شود که هاله رقیقی در اطراف دهانه نوشابه ایجاد می شود. علت این پدیده چیست؟
پاسخ: وقتی در نوشابه باز می شود، گاز محبوس در بالای آن و نیز کربن دی اکسید خارج شده از نوشابه انبساط می یابد. این انبساط چنان سریع صورت می گیرد که آن را می توان تقریبا بی دررو پنداشت. بنابراین انرژی لازم برای انبساط بی دررو گاز صرفا توسط انرژی درونی تامین می شود که همان انرژی گرمایی خود گاز است. بنابراین گاز سردتر می شود که این باعث می گردد بخار آب موجود در گاز، تبدیل به قطره آب می شود. این قطرات موجود در اطراف دهانه بطری به صورت هاله رقیقی مشاهده می شود.
در صورتی که دمای نوشابه نزدیک نقطه انجماد باشد، در اثر این سرد شدن گاز و کاهش فشار و رسیدن به فشار جو و کاهش نقطه انجماد، ممکن است، این مایع ایجاد شده یخ بزند.
نمودار فرایند بی دررو
از آن جایی که این نمودار شبیه به نمودار P-V فرایند هم دما است، برای اینکه تفاوت این دو فرایند در نمودار را تشخیص دهیم، شکلی به صورت زیر در نظر می گیریم.
خط چین های آبی رنگ دماهای ثابت T1>T2 را نشان می دهد.
در انبساط هم دما فشار گاز کاهش می یابد ولی چون گاز با یک منبع گرم در تماس است ، مقداری گرما از منبع گرما می گیرد و در نتیجه کاهش فشار کمتری در مقایسه با فرآیند بی دررو که در طی آن گاز گرما نمی گیرد ، دارد.
بنابراین فرایند ۱ چون در یک دمای ثابت قرار گرفته است، فرایند هم دماست. فرایند ۲ انبساط بی دررو است. چون با کاهش دما و انرزی درونی، این فرایند اتفاق افتاده است.
چون سطح زیر نمودار فرایند هم دما بیشتر است پس مقدار کار برای این فرایند بیشتر است. چون انبساطی هستند کار منفی است.
به همین صورت می توان تفاوت این دو فرایند در نمودار P-V را برای حالت تراکم نیز نشان داد.
در اینجا فرایند ۱ فرایند هم دماست و فرایند ۲ بی دررو است. چوت سطح زیر نمودار ۲ بیشتر از ۱ است، پس کار در فرایند بی دررو در حالت تراکم از هم دما بیشتر است.
نکته: در مقایسه این دو فرایند روی نمودار، می توان گفت نموداری که شیب خط بیشتری دارد، بی دررو است.
فرمول کار در فرایند بی دررو
قبلا اثبات کردیم تغییر انرژی درونی گاز در فرایند هم فشار و هم حجم از رابطه زیر بدست می آمد.
در نتیجه کار و تغییر انرژی درونی گاز در فرایند بی دررو از رابطه زیر بدست می آید.
مثال ها
مثال ۲: مطابق شکل زیر، حجم مقدار گاز آرمانی، در یک فرایند بی دررو متراکم می شود. کدام موارد زیر درست است؟
الف- انرژی درونی گاز افزایش می یابد.
ب- دمای گاز کاهش می یابد.
پ- دمای گاز ثابت می ماند.
ت- کار انجام شده روی گاز برابر گرمایی است که گاز می گیرد.
ث- کار انجام شده روی گاز برابر تغییر انرژی درونی گاز است.
پاسخ: همانطوری که در بالا توضیح دادیم برای تراکم بی دررو، کار روی گاز مثبت است و در نتیجه انرژی درونی و دمای گاز افزایش می یابد. همچنین چون Q=0 است، کار و تغییر انرژی درونی با هم برابر هستند. یعنی گزینه های الف و ث درست هستند.
مثال ۳: مطابق شکل زیر، یک گاز را طی سه فرایند جداگانه ی هم دما، هم فشار و بی دررو متراکم می کنیم.
الف) در کدام فرایند گرما مبادله نمی شود؟
ب) در کدام فرایند قدر مطلق کار کمتر است؟
پ) در کدام فرایند انرژی درونی ثابت می ماند؟
پاسخ: الف) فرایند ۳ . چون بی دررو است.
ب) فرایند ۱ . چون سطح زیر نمودار آن کمتر است.
پ) فرایند ۲ . چون هم دماست و تغییر انرژی درونی تابع دما است.
پاسخ: در تراکم بی دررو ، افزایش دما داریم. پس می توان با استفاده از معادله حالت نوشت.
برای طرح مثال های بیشتر نیاز داریم تا فرایند های دیگر را نیز بیاموزیم. چون که در مثال ها چند فرایند مختلف داریم. برای مشاهده مثال های بیشتر به این مطلب مراجعه کنید.
ویدیو آموزشی
در این ویدیو آموزشی به بررسی ویژگی ها و روابط و نمودار های فرایند بی دررو، توسط استاد مصطفی کبیری پرداخته می شود.
مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات
ویدیو آزمایش سرنگ آتش زنه
سرنگ آتش زنه استوانه کوچکی است مجهز به پیستونی که کاملا بر سطح داخلی استوانه منطبق است. در فضای محبوس داخل سرنگ، فقط هوا و تکه کوچکی از پنیه قرار دارد. با راندن سریع پیستون به داخل، و تراکم بی درروی هوای محبوس، دمای هوای داخل سرنگ به سرعت افزایش می یابد و به دمای اشتعال پنبه می رسد و تکه پنبه مشتعل می شود.
برای انجام این آزمایش باید دقت زیادی کرد تا هوای داخل به بیرون راهی پیدا نکند و معمولا از کاغذ غشا ( کاغذ نیترو سلولز) برای انجام این آزمایش استفاده می شود چون دمای اشتعال پایینی دارد.
با کلیک بر روی لینگ زیر می توانید این آزمایش را در یوتیوب مشاهده کنید:
دانلود نسخه PDF جزوه بالا
