برای دانلود تست از فرایندهای ایستاوار و انرژی درونی و قانون اول ترمودینامیک اینجا کلیک کنید

در این جزوه به بررسی فرآیند ایستاوار (ایزوبار)، انرژی درونی گاز کامل، تغییر انرژی درونی و قانون اول ترمودینامیک میپردازیم. این مباحث مکمل جزوه معادله حالت هستند و از مهمترین بخشهای ترمودینامیک در فیزیک دهم به شمار میروند.
فرآیند ایستاوار (ایزوبار)
فرآیند ایستاوار چیست؟
فرآیند ایستاوار (ایزوبار) فرآیندی است که در آن فشار سیستم ثابت میماند و حجم و دما تغییر میکنند.
P = ثابت
ویژگیهای فرآیند ایستاوار
| ویژگی | وضعیت |
|---|---|
| فشار | ثابت |
| حجم | متغیر |
| دما | متغیر |
| کار | W = PΔV |
| گرما | Q = nCpΔT |
| تغییر انرژی درونی | ΔU = nCvΔT |
قانون شارل در فرآیند ایستاوار
در فشار ثابت، حجم گاز با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد:
V₁/T₁ = V₂/T₂
نمودار V-T: خط راست
نمودار P-V: خط افقی (موازی محور V)
کار در فرآیند ایستاوار
فرمول اصلی:
W = PΔV = P(V₂ - V₁)
با استفاده از معادله حالت:
W = nRΔT
نکته: چون فشار ثابت است، کار مستقیماً از حاصلضرب فشار در تغییر حجم به دست میآید.
گرما در فرآیند ایستاوار
فرمول:
Q = nCpΔT
که در آن:
-
Cp: گرمای ویژه مولی در فشار ثابت (J/mol·K)
برای گاز تکاتمی:
Cp = (5/2)R
برای گاز دواتمی:
Cp = (7/2)R
رابطه مهم Cp و Cv
Cp - Cv = R
جدول گرمای ویژه مولی:
| نوع گاز | Cv | Cp | Cp – Cv |
|---|---|---|---|
| تکاتمی | (3/2)R | (5/2)R | R |
| دواتمی | (5/2)R | (7/2)R | R |
| چنداتمی | 3R | 4R | R |
قانون اول در فرآیند ایستاوار در فیزیک
ΔU = Q - W nCvΔT = nCpΔT - nRΔT
بررسی صحت رابطه:
nCpΔT - nRΔT = n(Cp - R)ΔT = nCvΔT ✓
انرژی درونی گاز کامل
انرژی درونی چیست؟
انرژی درونی (U) مجموع انرژیهای جنبشی و پتانسیل مولکولهای یک سیستم است.
نکته کلیدی: انرژی درونی یک گاز کامل فقط تابع دما است و به فشار و حجم بستگی ندارد.
U = f(T)
فرمول انرژی درونی گاز کامل
فرمول کلی:
U = (f/2)nRT
که در آن:
-
n: تعداد مول (mol)
-
R: ثابت جهانی گازها = ۸.۳۱۴ J/mol·K
-
T: دمای مطلق (K)
-
f: تعداد درجات آزادی مولکول
فرمول بر اساس نوع گاز
| نوع گاز | درجات آزادی (f) | فرمول انرژی درونی |
|---|---|---|
| تکاتمی (He, Ne, Ar) | ۳ | U = (3/2)nRT |
| دواتمی (H₂, O₂, N₂) | ۵ | U = (5/2)nRT |
| چنداتمی (CO₂, CH₄) | ۶ | U = 3nRT |
تغییر انرژی درونی گاز کامل
فرمول تغییر انرژی درونی
ΔU = nCvΔT
که در آن:
-
ΔU: تغییر انرژی درونی (J)
-
n: تعداد مول (mol)
-
Cv: گرمای ویژه مولی در حجم ثابت (J/mol·K)
-
ΔT: تغییر دما (K)
برای گاز تکاتمی:
ΔU = (3/2)nRΔT
برای گاز دواتمی:
ΔU = (5/2)nRΔT لیست بهترین دبیران فیزیک
نکات کلیدی درباره تغییر انرژی درونی
-
اگر دما تغییر نکند (ΔT = ۰)، انرژی درونی تغییر نمیکند:
ΔU = ۰ -
در فرآیند ایزوترم: ΔU = ۰
-
در فرآیند ایزوکور: ΔU = Q (چون W = ۰)
-
در فرآیند آدیاباتیک: ΔU = -W (چون Q = ۰)
-
در فرآیند ایزوبار: ΔU = nCvΔT = Q – W
تغییر انرژی درونی در فرآیندهای مختلف
| فرآیند | ΔU |
|---|---|
| ایزوکور | ΔU = Q = nCvΔT |
| ایزوبار | ΔU = nCvΔT |
| ایزوترم | ΔU = ۰ |
| آدیاباتیک | ΔU = -W = nCvΔT |
قانون اول ترمودینامیک
بیان قانون اول
تغییر انرژی درونی یک سیستم برابر است با گرمای داده شده به سیستم منهای کار انجام شده توسط سیستم.
ΔU = Q - W
بیان دیگر:
Q = ΔU + W
گرمای داده شده به سیستم = افزایش انرژی درونی + کار انجام شده توسط سیستم
قرارداد علامتها
| کمیت | مثبت (+) | منفی (-) |
|---|---|---|
| Q | گرما به سیستم داده شود | گرما از سیستم گرفته شود |
| W | کار توسط سیستم انجام شود | کار روی سیستم انجام شود |
| ΔU | انرژی درونی افزایش یابد | انرژی درونی کاهش یابد |
قانون اول در فرآیندهای مختلف
۱. فرآیند ایزوکور (حجم ثابت)
W = 0 ΔU = Q
تمام گرما صرف افزایش انرژی درونی میشود.
۲. فرآیند ایزوبار (فشار ثابت)
W = PΔV ΔU = Q - PΔV Q = nCpΔT ΔU = nCvΔT
۳. فرآیند ایزوترم (دما ثابت)
ΔU = 0 Q = W
تمام گرما صرف انجام کار میشود.
۴. فرآیند آدیاباتیک (بیدررو)
Q = 0 ΔU = -W
کار انجام شده از انرژی درونی کاسته میشود.
جدول مقایسه فرآیندها
| فرآیند | ثابت | Q | W | ΔU |
|---|---|---|---|---|
| ایزوکور | V | Q = ΔU | ۰ | Q |
| ایزوبار | P | Q = nCpΔT | PΔV | nCvΔT |
| ایزوترم | T | Q = W | nRT ln(V₂/V₁) | ۰ |
| آدیاباتیک | Q=۰ | ۰ | -ΔU | -W |
مسائل حل شده
مسئله ۱ (انرژی درونی گاز تکاتمی)
۲ مول گاز تکاتمی در دمای ۳۰۰ کلوین قرار دارد. انرژی درونی آن چقدر است؟
(R = ۸.۳۱۴ J/mol·K)
حل:
U = (3/2)nRT U = (3/2) × 2 × 8.314 × 300 U = 3 × 8.314 × 300 U = 7482.6 J ≈ 7.48 kJ
مسئله ۲ (تغییر انرژی درونی)
دمای ۳ مول گاز تکاتمی از ۲۰۰ به ۴۰۰ کلوین میرسد. تغییر انرژی درونی چقدر است؟
حل:
ΔU = (3/2)nRΔT ΔU = (3/2) × 3 × 8.314 × (400 - 200) ΔU = (3/2) × 3 × 8.314 × 200 ΔU = 3 × 8.314 × 300 ΔU = 7482.6 J ≈ 7.48 kJ
مسئله ۳ (فرآیند ایزوبار – کار)
گازی در فشار ثابت ۳×۱۰⁵ پاسکال، حجمش از ۰.۰۱ به ۰.۰۴ متر مکعب افزایش مییابد. کار انجام شده چقدر است؟
حل:
W = PΔV W = 3×10⁵ × (0.04 - 0.01) W = 3×10⁵ × 0.03 W = 9000 J = 9 kJ
مسئله ۴ (فرآیند ایزوبار – گرما و انرژی درونی)
۲ مول گاز تکاتمی در فشار ثابت از دمای ۳۰۰ به ۴۰۰ کلوین گرم میشود. کار، گرما و تغییر انرژی درونی را محاسبه کنید.
حل:
ΔT = 100 K کار: W = nRΔT = 2 × 8.314 × 100 = 1662.8 J گرما: Cp = (5/2)R = (5/2) × 8.314 = 20.785 J/mol·K Q = nCpΔT = 2 × 20.785 × 100 = 4157 J تغییر انرژی درونی: Cv = (3/2)R = 12.471 J/mol·K ΔU = nCvΔT = 2 × 12.471 × 100 = 2494.2 J بررسی: ΔU = Q - W = 4157 - 1662.8 = 2494.2 J ✓
مسئله ۵ (قانون اول – حالت کلی)
به گازی ۸۰۰ ژول گرما میدهیم. اگر گاز ۳۰۰ ژول کار انجام دهد، تغییر انرژی درونی چقدر است؟
حل:
ΔU = Q - W ΔU = 800 - 300 ΔU = 500 J
مسئله ۶ (قانون اول – کار روی سیستم)
روی گازی ۴۰۰ ژول کار انجام میشود و ۱۵۰ ژول گرما از آن گرفته میشود. تغییر انرژی درونی چقدر است؟
حل:
Q = -150 J (گرما گرفته شده) W = -400 J (کار روی سیستم) ΔU = Q - W ΔU = -150 - (-400) ΔU = -150 + 400 = 250 J
مسئله ۷ (فرآیند ایزوکور)
به ۳ مول گاز تکاتمی در حجم ثابت ۹۰۰ ژول گرما میدهیم. تغییر دما و تغییر انرژی درونی چقدر است؟
حل:
W = 0 (حجم ثابت) ΔU = Q = 900 J ΔU = (3/2)nRΔT 900 = (3/2) × 3 × 8.314 × ΔT 900 = 37.413 × ΔT ΔT = 900 / 37.413 ≈ 24.06 K
مسئله ۸ (فرآیند ایزوبار کامل – گاز دواتمی)
۳ مول گاز دواتمی در فشار ثابت از ۲۷°C به ۱۲۷°C گرم میشود. کار، گرما و تغییر انرژی درونی را محاسبه کنید.
حل:
ΔT = 127 - 27 = 100 K کار: W = nRΔT = 3 × 8.314 × 100 = 2494.2 J گرما: Cp = (7/2)R = 29.099 J/mol·K Q = nCpΔT = 3 × 29.099 × 100 = 8729.7 J تغییر انرژی درونی: Cv = (5/2)R = 20.785 J/mol·K ΔU = nCvΔT = 3 × 20.785 × 100 = 6235.5 J بررسی: ΔU = Q - W = 8729.7 - 2494.2 = 6235.5 J ✓
مسئله ۹ (محاسبه Cp و Cv)
برای یک گاز تکاتمی، مقادیر Cv و Cp را محاسبه کنید.
حل:
Cv = (3/2)R = (3/2) × 8.314 = 12.471 J/mol·K Cp = (5/2)R = (5/2) × 8.314 = 20.785 J/mol·K Cp - Cv = 20.785 - 12.471 = 8.314 = R ✓
مسئله ۱۰ (ترکیبی – فرآیند ایزوبار)
۲ مول گاز تکاتمی از حالت (P₁ = ۲×۱۰⁵ Pa، V₁ = ۰.۰۲ m³) به حالت (P₂ = ۲×۱۰⁵ Pa، V₂ = ۰.۰۵ m³) میرود. کار، تغییر انرژی درونی و گرما را محاسبه کنید.
حل:
فرآیند ایزوبار است (P ثابت) کار: W = PΔV = 2×10⁵ × (0.05 - 0.02) = 6000 J دمای اولیه: T₁ = P₁V₁/nR = (2×10⁵ × 0.02)/(2 × 8.314) ≈ 240.6 K دمای نهایی: T₂ = P₂V₂/nR = (2×10⁵ × 0.05)/(2 × 8.314) ≈ 601.4 K ΔT = 601.4 - 240.6 = 360.8 K تغییر انرژی درونی: ΔU = (3/2)nRΔT = (3/2) × 2 × 8.314 × 360.8 ≈ 9000 J گرما: Q = ΔU + W = 9000 + 6000 = 15000 J
ف نکات مهم کنکوری
-
انرژی درونی گاز کامل فقط تابع دما است
-
فرمول انرژی درونی:
U = (f/2)nRT -
تغییر انرژی درونی:
ΔU = nCvΔT -
فرآیند ایزوبار: فشار ثابت،
W = PΔV = nRΔT -
گرما در ایزوبار:
Q = nCpΔT -
رابطه Cp و Cv:
Cp - Cv = R -
قانون اول:
ΔU = Q - W -
قرارداد علامت: Q مثبت (گرما داده شده)، W مثبت (کار انجام شده توسط سیستم)
-
فرآیند ایزوکور: W = ۰، ΔU = Q
-
فرآیند ایزوترم: ΔU = ۰، Q = W
-
فرآیند آدیاباتیک: Q = ۰، ΔU = -W
-
کار در نمودار P-V: مساحت زیر نمودار
-
دما همیشه بر حسب کلوین در فرمولها
-
گاز تکاتمی: Cv = (3/2)R، Cp = (5/2)R
-
گاز دواتمی: Cv = (5/2)R، Cp = (7/2)R
فرمولهای کلیدی
| مفهوم | فرمول |
|---|---|
| انرژی درونی (تکاتمی) | U = (3/2)nRT |
| انرژی درونی (دواتمی) | U = (5/2)nRT |
| تغییر انرژی درونی | ΔU = nCvΔT |
| قانون اول | ΔU = Q – W |
| کار ایزوبار | W = PΔV = nRΔT |
| گرما ایزوبار | Q = nCpΔT |
| گرما ایزوکور | Q = nCvΔT |
| Cp – Cv | R |
| Cv تکاتمی | (3/2)R |
| Cp تکاتمی | (5/2)R |
| Cv دواتمی | (5/2)R |
| Cp دواتمی | (7/2)R |
| قانون شارل | V₁/T₁ = V₂/T₂ |
| تبدیل دما | T(K) = T(°C) + 273 |
کاربردهای عملی فرآیند ایزوبار
در زندگی روزمره
-
جوشیدن آب در قابلمه باز: فشار اتمسفر ثابت است
-
بالون در حال صعود: فشار جو تقریباً ثابت
-
موتور خودرو: بخشی از چرخه در فشار ثابت
-
تنفس انسان: انبساط ریهها در فشار تقریباً ثابت
در صنعت
-
نیروگاههای بخار: گرم کردن آب در دیگ بخار
-
سیستمهای تبرید: بخشی از چرخه تبرید
-
موتورهای دیزل: بخشی از چرخه احتراق
فرآیند ایستاوار، انرژی درونی گاز کامل و قانون اول ترمودینامیک از مهمترین مباحث فیزیک دهم هستند. درک صحیح این مفاهیم برای حل مسائل ترمودینامیک و درک پدیدههای اطراف ضروری است.
نکات کلیدی:
-
انرژی درونی گاز کامل فقط تابع دما است
-
فرمول انرژی درونی:
U = (f/2)nRT -
تغییر انرژی درونی:
ΔU = nCvΔT -
در فرآیند ایزوبار:
W = PΔVوQ = nCpΔT -
قانون اول:
ΔU = Q - W -
رابطه Cp و Cv:
Cp - Cv = R -
در فرآیند ایزوترم: ΔU = ۰
-
در فرآیند آدیاباتیک: Q = ۰
-
در فرآیند ایزوکور: W = ۰
دیدگاه شما