Question

مسائل محلولة على الشغل في الديناميكا الحرارية؟

تعريف الشغل Work؟

اشتقاق قانون الشغل فى الديناميكا الحرارية؟

Answer 1

الشغل Work

- تعريف الشغل (W): هو حاصل ضرب القوة (F) في الإزاحة (ΔL).

(1)   W = F ΔL

ملاحظة: للشغل أنواع مختلفة وسوف نركز على الشغل الناتج عن التغير في حجم كمية معينة من غاز تحت ظروف معين

اشتقاق القانون W = PΔV

من تعريف الضغط P (القوة F على وحدة المساحة A) .

P = F / A

(2)   F = P A

حيث: P = الضغط ، A = المساحة ، F = القوة

بالتعويض من المعادلة (2) في المعادلة (1)

W = P A ΔL

وحيث أن : ΔV = A  ΔL  حيث أن: ΔV = التغير في الحجم فيكون:

W = - P ΔV

ملاحظات هامة على الشغل

(1) تدل الإشارة السالبة على أن طاقة النظام تنخفض عندما يزداد الحجم ، أي أن النظام يعمل شغلاً على المحيط ، أي يفقد النظام طاقة بمقدار الشغل الذي يعمله على المحيط.

(2) الشغل يساوي (PΔV -) فإذا حصل تمدد لحجم النظام فيكون (ΔV) مـوجب والشغل قيمته سالبة لأن النظام فقد طاقة كشغل ، أما إذا تقلص الحجم فإن (ΔV) تصبح سالبة والشغل قيمته موجبة وزادت طاقة النظام بسبب الشغل الذي بذل عليه.

(3) الشغل ليس تابع للحالة (علل) لأن الشغل يعتمد على الضغط.

الشغل يعتمد على الضغط 

- إذا كان الضغط الخارجي أقل من ضغط الغاز (النظام) فإن الغاز يتمدد ضد المحيط ) (V₁ < V₂) وبذلك فإن النظام بذل شغلاً على المحيط أي ان النظام تنخفض طاقته ،لهذا فإن الشغل إشارته سالبة.

- إذا كان الضغط الخارجي اعلى من ضغط الغاز (النظام) فإن الغاز ينكمش أي يقل حجمه (V₂ < V₁) وبذلك فإن المحيط بذل شغلاً على النظام أي ان النظام تزداد طاقته، لهذا فإن الشغل إشارته موجبة.

- إذا كان الضغط الخارجي يساوي صفر (ضد فراغ) فإن الشغل يساوي صفر.

حساب الشغل بوحدة الجول (J)

إذا كان المطلوب حساب الشغل بوحدة الجول (J) فيجب ان تكون وحدة الضغط والحجوم كما يلي:

(1) وحدة الضغط (Pa) ووحدة الحجم (m³)

(2) وحدة الضغط (kPa) ووحدة الحجم (dc³)

ويمكن اسـتـخـدام وحـدة الضغط (atm) ووحـدة الحجم (L) ، ثم تحويل وحـدة الشغل الناتجة إلى جول وذلك باستخدام القانون التالي:

Answer 2

مسائل محلولة على الشغل 

مثال (1): إذا كان لدينا 0.6mL من الماء السائل فتجمد واصبح حجمه 0.7mL عند °0C و latm ، أحسب الشغل المبذول بوحدة الجول؟

الحل:

 نلاحظ من السؤال أن حجم النظام قد زاد حجمه (عندما يتجمد الماء يزداد حجمه).

وهذا يعني أن النظام قد بذل شغلاً على المحيط الخارجي.

الطريقة الأولى:

بما أن إشارة الشغل بالسالب فأن النظام بذل شغلاً على المحيط.

الطريقة الثانية:

بما أن إشارة الشغل بالسالب فأن النظام بذل شغلاً على المحيط.

مثال (2): إناء حـجـمـه 3L يـحـتـوي علـى مـول واحـد من غاز SO₂ عند ضغط 10atm وعند تكثفه وجد أن حجم السائل 300cm³ وانطلقت حرارة مقدارها 300kJ أحـسـب الشغل المبذول؟

الحل:

نلاحظ من السؤال أن حجم النظام قد نقص حجمه ، وهذا يعني أن المحيط الخارجي قد بذل شغلاً على النظام.

بما أن إشارة الشغل بالموجب فأن المحيط بذل شغلا على النظام .

مثال (3): أي من التفاعلات التالية: يبذل النظام شغل على المحيط ، يبذل المحيط شغل على النظام ، لا يوجد به شغل؟

الحل:

(1) يلاحظ أن: عـدد مـولات المواد الغازية المتفاعلة > عـدد مـولات المواد الغـازية الناتجـة.

بعد التفاعل (التغير) قل الحجم. 

 بما أن ΔV = سالب فأن W = موجب فأن المحيط يعمل شغلاً على النظام.

(2) يلاحظ أن: عـدد مـولات المواد الـغـازيـة الناتجـة > عـدد مـولات المواد الـغـازيـة المتـفـاعلة

 بعد التفاعل (التغير) زاد الحجم

 بما أن ΔV = موجب فأن W = سالب فأن النظام  يعمل شغلاً على المحيط.

(3) يلاحظ ان : عـدد مـولات المواد الـغـازيـة الناتجـة = عـدد مـولات المواد الـغـازية المتفاعلة

 الحجم ثابت (لم يتغير)

 بما أن ΔV = 0 فأن W =0 فأنه لا يحدث شغل