فرآیند هم فشار چیست؟ – به زبان ساده

فرآیند هم فشار یا ایزوبار (‌Isobaric Process) نوعی فرآیند ترمودینامیکی است که طی آن فشار سیستم ثابت می‌ماند، در حالی که سایر کمیت‌های ترمودینامیکی مانند دما و حجم می‌توانند تغییر کنند. شناخت این فرآیند و ویژگی‌های آن جهت تحلیل و بررسی سیستم‌های ترمودینامیکی پیچیده ضروری است.

به همین دلیل در این مطلب از مجله فرادرس قصد داریم توضیح دهیم فرآیند هم فشار چیست و چگونه ایجاد می‌شود. همچنین فرمول‌های مرتبط با این فرآیند از جمله فرمول کار و قانون اول ترمودینامیک را معرفی خواهیم کرد. بخش‌های پایانی این نوشته نیز به حل چند مثال و بررسی کاربردهای فرآیند هم فشار در چرخه‌های ترمودینامیکی معروفی مانند چرخه برایتون و رانکین اختصاص دارد.

فرآیند هم فشار چیست؟

فرآیند هم فشار یکی از انواع فرآیندهای ترمودینامیکی است که در فشار ثابت رخ می‌دهد، یعنی برای این فرآیند همواره رابطه $$\triangle ‌P = 0$$ برقرار است. ثابت ماندن فشار در این فرآیند مستلزم آن است که اگر گرمایی به سیستم منتقل می‌شود، سیستم کار انجام دهد. به این ترتیب انرژی داخلی سیستم نیز تغییر می‌کند، چون طبق قانون اول ترمودینامیک انتظار داریم انرژی از بین نرود. پس فشار ثابت با تغییرات حجم در قالب انبساط یا تراکم هم‌فشار همراه است و به دنبال آن، کار انجام شده توسط سیستم می‌تواند مثبت یا منفی باشد.

از جمله مثال‌های رایج و آشنا برای فرآیند هم فشار جوش آمدن آب و تبدیل آن به بخار یا منجمد شدن آب و تبدیل آن به یخ است. همچنین اگر نمودار فشار بر حسب حجم را برای یک انبساط یا تراکم هم‌فشار رسم کنیم، نتیجه به شکل یک خط مستقیم و افقی و موازی با محور حجم خواهد شد و بسته به اینکه انبساط داشته‌ایم یا تراکم، جهت این نمودار متفاوت است.

بنابراین جهت نمودار $$P - V$$ تعیین کننده علامت کار انجام شده توسط سیستم و در نتیجه نوع فرآیند هم فشار (انبساط یا تراکم) است. همچنین سطح زیر این نمودار معادل است با کاری که در این فرآیند انجام شده است. کلمه ایزوبار از دو کلمه یونانی «Iso» به معنای برابر و «Baros» به معنای فشار تشکیل شده است و به همین علت این عبارت به رخ دادن فرآیندهایی در فشار ثابت یا برابر اشاره دارد.

فرآیند هم فشار چگونه رخ می‌دهد؟

در بخش قبل توضیح دادیم فرآیند هم فشار چیست و دیدیم که مشخصه اصلی آن ثابت ماندن فشار است. در این بخش می‌خواهیم توضیح دهیم فشار در یک فرآیند ترمودینامیکی چگونه ثابت می‌ماند. فرض کنید یک محفظه حاوی مقداری گاز ایده‌آل داریم و روی آن یک عدد پیستون بدون جرم و کاملا فیت با دهانه این محفظه قرار داده شده است که می‌تواند آزادانه به سمت بالا یا پایین حرکت کند.

فرآیند هم فشار برای چنین سیستمی زمانی رخ می‌دهد که اجازه دهیم حجم محفظه در اثر تبادل حرارت بین گاز و محیط اطراف آن کم یا زیاد شود. به این ترتیب هر نوع تغییر فشاری با تغییر حجم تنظیم می‌شود و این تنظیمات به گونه‌ای است که همواره فشار ثابت خواهد ماند.

یادگیری ترمودینامیک متوسطه با فرادرس

مباحث دما، گرما و قوانین ترمودینامیک کلاسیک در آخرین فصل از کتاب درسی فیزیک پایه دهم مطرح می‌شوند که فرآیند هم فشار یکی از موضوعات آن است. در این بخش قصد داریم چند دوره آموزشی مرتبط با این عناوین را به شما معرفی کنیم تا از طریق مشاهده فیلم و حل مثال‌ها و تمرین‌های بیشتر یادگیری خود را در این زمینه تکمیل کنید:

• فیلم آموزش فیزیک پایه دهم فرادرس
• فیلم آموزش فیزیک پایه دهم – مرور و حل تمرین فرادرس
• فیلم آموزش رایگان دما و گرما در فیزیک پایه دهم فرادرس

فرمول فرآیند هم فشار چیست؟

برای اینکه با آثار فرآیند هم فشار در روابط و معادلات ترومودینامیکی بیشتر آشنا شویم، در این بخش قصد داریم به معرفی فرمول‌‌های این فرآیند بپردازیم. برای شروع فرمول قانون گازها را می‌نویسیم:

$$PV = nRT$$

• $$P$$: فشار گاز کامل بر حسب پاسکال ($$Pa$$)
• $$V$$: حجم گاز کامل بر حسب متر مکعب ($$m^3$$)
• $$T$$: دمای گاز کامل بر حسب کلوین ($$K$$)
• $$n$$: مقدار گاز کامل بر حسب مول ($$mole$$)
• $$R$$: ثابت جهانی گازها با مقدار $$R =8.314 \ \frac{J}{mole.K}$$

اگر بخواهیم این فرمول را برای یک فرآیند هم فشار در نظر بگیریم، با توجه به اینکه فشار در چنین فرآیندی ثابت است، پس می‌توانیم فشار یا $$P$$ را به همراه سایر ثوابت این معادله مانند $$R$$ و $$n$$ در یک سمت تساوی قرار دهیم. به این ترتیب خواهیم داشت:

$$\frac{V}{T} = \frac{nR}{P} \Rightarrow \frac{V}{T} = constant$$

این تساوی ما را به رابطه زیر برای یک فرآیند هم فشار می‌رساند:

$$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$$

به این معنا که نسبت حجم به دما در حالت اولیه با همین نسبت در حالت نهایی سیستم برابر است.

نمودار فرآیند هم فشار

برای نشان دادن تغییرات کمیت‌های ترمودینامیکی مانند دما ($$T$$)، فشار ($$P$$) و حجم ($$V$$) از نمودارهایی استفاده می‌کنیم که بسته به هدف ما می‌تواند نمودار فشار بر حسب حجم یا فشار بر حسب دما یا ... باشد. در ترمودینامیک مرسوم‌تر این است که تغییرات فشار با حجم در قالب نموداری به نام نمودار $$P - V$$ بررسی شود. نمودار $$P - V$$ برای یک فرآیند هم‌ فشار بسته به نوع فرآیند (انبساط یا تراکم) یکی از دو تصویر زیر است:

اگر طی فشار ثابت، حجم حالت نهایی سیستم از حجم حالت اولیه آن بیشتر شود، انبساط هم‌فشار داریم و اگر در فشار ثابت حجم کاهش پیدا کند، تراکم هم‌فشار داریم. ملاحظه می‌کنید که در هر دو حالت شکل نمودار فرآیند هم فشار به‌صورت یک خط افقی و موازی با محور حجم است. یکی دیگر از نکات مهم در مورد نمودار $$P - V$$ این فرآیند این است که شیب آن را در نظر بگیریم. شیب نمودار فرآیند هم فشار برابر است با صفر (شیب یک خط افقی در ریاضیات همواره برابر است با صفر):

$$(\frac{dP}{dV}) = 0$$

نکته: اگر نمودار فرآیند هم فشار را برعکس رسم کنیم، یعنی حجم بر حسب فشار رسم شود، در این صورت نتیجه به‌صورت یک خط عمودی و باز هم موازی با محور حجم است که شیب آن بی‌نهایت می‌شود.

فرمول کار در فرآیند هم فشار چیست؟

در این بخش قصد داریم فرمول کار برای فرآیند هم فشار را معرفی کنیم. فرمول جامع برای کار انجام شده توسط یک سیستم ترمودینامیکی به شکل زیر تعریف می‌شود:

$$W = \int P dV$$

که شکل ساده‌تر این فرمول با حذف انتگرال به شکل زیر خواهد شد:

$$W = P \triangle V = P (V_f - V_i )$$

که در آن $$V_i$$ و $$V_f$$ به ترتیب نشان‌دهنده حجم سیستم در حالت اولیه و نهایی هستند. همچنین با توجه به اینکه آیا به سیستم ترمودینامیکی ما گرمایی از محیط داده می‌شود یا نه، سیستم می‌تواند انبساط یا تراکم هم‌فشار داشته باشد. برای مثال، در تصویر زیر نمونه‌ای از یک فرآیند هم فشار را مشاهده می‌کنید که در آن سیستم با گرفتن گرما از محیط، منبسط شده و باعث بالا رفتن پیستون می‌شود. پس حجم سیستم در حالت نهایی از حجم اولیه بیشتر است و کار انجام شده توسط سیستم عددی مثبت است.

این در حالی است که اگر تراکم هم‌فشار رخ دهد، با توجه به کاهش حجم سیستم در حالت نهایی، کار انجام شده توسط سیستم منفی خواهد شد. روش دیگری که برای محاسبه کار فرآیند هم فشار و با در نظر گرفتن قانون گازهای کامل می‌توانیم بکار بگیریم این است که از تساوی زیر استفاده کنیم:

$$PV = nRT$$

$$\Rightarrow P \triangle V = nR \triangle T$$

در نتیجه داریم:

$$\Rightarrow W = nR \triangle T = nR (T_f - T_i )$$

به این ترتیب کار فرآیند هم فشار را با توجه به تغییرات دما و با داشتن مقدار ماده نیز می‌توانیم محاسبه کنیم. همچنین یکی دیگر از روش‌های محاسبه کار برای هر کدام از فرآیندهای ترمودینامیکی این است که مساحت زیر نمودار $$P - V$$ را برای آن فرآیند به‌دست آوریم. البته حاصل این محاسبه با فرمول کار معادل است.

ملاحظه می‌کنید که در تصویر بالا نمودار فرآیند هم‌فشار یک خط مستقیم و افقی و موازی با محور حجم است. سطح زیر این نمودار معادل است با مستطیلی با ابعاد $$‌ P_i =P_f = P$$ و $$‌ V _f - V _i$$. مساحت این مستطیل برابر می‌شود با حاصل‌ضرب طول و عرض آن یا $$‌S = P( V _f - V _i)$$ که همان فرمول کار برای انبساط هم‌فشار است.

دقت کنید اگر نمودار تراکم هم‌فشار را در نظر می‌گرفتیم، با توجه به اینکه در این فرآیند حجم نهایی سیستم از حجم اولیه کمتر است ($$‌ V _f - V _i < 0$$)، مساحت مستطیلی شکل زیر نمودار عدد منفی به دست می‌آمد که معادل کار منفی در تراکم هم‌فشار است. اگر تمایل دارید با قوانین ترمودینامیکی و فرمول‌های آن به‌صورت کامل و جامع آشنا شوید، پیشنهاد ما مطالعه مطلب «ترمودینامیک چیست؟ – آموزش علم و قوانین به زبان ساده» از مجله فرادرس است.

فرآیند هم فشار و قانون اول ترمودینامیک

یکی از روش‌های شناخت بهتر فرآیند هم فشار این است که آن را از دید قانون اول ترمودینامیک بررسی کنیم. قانون اول ترمودینامیک که نمادی از پایستگی انرژی نیز محسوب می‌شود، بیان کننده رابطه میان گرمای داده شده به سیستم ($$Q$$)، تغییرات انرژی داخلی ($$\triangle U$$) و کار انجام شده توسط سیستم ($$W$$) است. این ارتباط در زبان ریاضیات به شکل زیر توصیف می‌شود:

$$\triangle U = Q - W$$

پیش از ادامه این مبحث، برای اینکه بتوانید به این مفاهیم کاملا مسلط شوید و رابطه بین پارامترهای ترمودینامیکی مختلف مانند دما، آنتروپی، آنتالپی، انرژی داخلی و ... را بهتر متوجه شوید، پیشنهاد می‌کنیم تمرین بیشتری از طریق مشاهده دوره‌های آموزشی مرتبط داشته باشید. فرادرس یک فیلم آموزشی با عنوان آموزش ترمودینامیک ۲ – مرور و تست کنکور ارشد در همین زمینه تهیه کرده است که لینک آن در ادامه برای شما قرار داده شده است:

همان‌طور که ملاحظه می‌کنید بر مبنای قانون پایستگی، انرژی نه از بین می‌رود و نه خود به خود تولید می‌شود، بلکه طبق این رابطه فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. در این رابطه تمام کمیت‌ها بر حسب واحد استاندارد انرژی و کار یعنی ژول ($$J$$) نوشته می‌شوند. همچنین ذکر این نکته ضروری به‌نظر می‌رسد که در قانون اول ترمودینامیک فرض می‌شود که هیچ ماد‌ه‌ای بین سیستم و محیط اطراف آن مبادله نمی‌شود و فقط انرژی آن هم به شکل گرما در این تبادل وجود دارد. به چنین سیستمی در ترمودینامیک یک «سیستم بسته» می‌گوییم.

در تصویر بالا که کاملا عملکرد قانون اول را توضیح می‌دهد، با مصرف گرمایی که به سیستم داده می‌شود، انرژی داخلی آن افزایش می‌یابد. به این ترتیب سیستم قادر است از طریق انبساط خود روی پیستون کار انجام داده و موجب جابجایی آن به سمت بالا شود. همچنین اگر روی سیستم کار انجام شود، در این صورت فرمول قانون اول با توجه به تغییر علامت کار به‌صورت زیر خواهد شد:

$$\triangle U = Q + W$$

به هر حال هر دو فرمول بالا با هم معادل‌اند، چون همواره کار انجام شده توسط سیستم با منفی کار انجام شده روی سیستم برابر است. از طرفی طبق قوانین ترمودینامیکی می‌دانیم کار انجام شده برابر است با حاصل‌ضرب فشار در تغییرات حجم:

$$W = P \triangle V$$

پس فرمول قانون اول به‌صورت زیر درمی‌آید:

$$\triangle U = Q - P \triangle V$$

گفتیم در فرآیند هم فشار تبادل گرما داریم و بخشی از این تبادل گرما موجب تغییر انرژی داخلی سیستم خواهد شد. به این ترتیب اگر بخواهیم حرارت مبادله شده در فرآیند هم فشار را بررسی کنیم، بهتر است از کمیتی به نام «آنتالپی» با نماد $$H$$ استفاده کنیم. آنتالپی به نوعی تابع حالت یک سیستم ترمودینامیکی است که به سایر توابع حالت وابسته است. اگر بخواهیم این کمیت ترمودینامیکی را به‌صورت ریاضیاتی نشان دهیم، بهتر است بگوییم آنتالپی برابر است با مجموع انرژی داخلی سیستم و حاصل‌ضرب فشار در حجم سیستم:

$$H = U + PV$$

اگر از طرفین تساوی بالا دیفرانسیل‌گیری کنیم یا تغییرات هر کمیت را بررسی کنیم، به رابطه زیر می‌رسیم:

$$\triangle H = \triangle U + V \triangle P+ P \triangle V$$

گفتیم مشخصه فرآیند هم فشار این است که $$\triangle ‌P = 0$$. بنابراین رابطه بالا به شکل زیر ساده می‌شود:

$$\Rightarrow \triangle H = \triangle U + P \triangle V$$

حالا اگر به‌جای تغییرات انرژی درونی از فرمول قانون اول ترمودینامیک یعنی $$\triangle U = Q - P \triangle V$$ استفاده کنیم، خواهیم داشت:

$$\Rightarrow \triangle H = Q - P \triangle V + P \triangle V = Q$$

بنابراین فرمول قانون اول ترمودینامیک برای یک فرآیند هم فشار و بر حسب آنتالپی برابر می‌شود با رابطه زیر:

$$\triangle H = H_2 - H_1 = Q$$

طبق این رابطه این‌طور می‌توانیم استنباط کنیم که گرمای مبادله شده در یک فرآیند هم فشار با تغییرات آنتالپی سیستم برابر است. دقت کنید واحد آنتالپی نیز مانند انرژی و کار، ژول است.

تبادل گرما در فرآیند هم فشار

اگر به خاطر داشته باشید، در فرآیندهای دیگری مانند فرآیند بی‌دررو با توجه به اینکه داشتیم $$\triangle Q = 0$$، قانون اول ترمودینامیک ساده می‌شد. اما در اینجا فرمول قانون اول ساده‌تر نمی‌شود، چون هیچ‌کدام از پارامترهای فرمول $$\triangle U = \triangle Q - \triangle W$$ صفر نمی‌شوند. اما می‌دانیم برای یک گاز کامل، تغییرات انرژی درونی یا انرژی داخلی سیستم با دما توسط رابطه زیر توصیف می‌شود:

$$\triangle U = n c_v \triangle T$$

• $$U$$: انرژی درونی بر حسب ژول ($$J$$)
• $$T$$: دمای گاز کامل بر حسب کلوین ($$K$$)
• $$n$$: مقدار گاز کامل بر حسب تعداد مول‌ها ($$mole$$)
• $$c_v$$: گرمای ویژه در حجم ثابت بر حسب ژول بر مول در کلوین ($$\frac{J}{mole. K}$$)

حالا با نوشتن قانون اول ترمودینامیک، جایگزینی فرمول بالا به‌جای تغییرات انرژی درونی و جایگزینی فرمول کار در بخش‌‌های قبل به‌جای کار انجام شده خواهیم داشت:

$$\triangle U = \triangle Q - \triangle W$$

$$\Rightarrow n c_v \triangle T = \triangle Q - nR \triangle T$$

$$\Rightarrow \triangle Q = n c_v \triangle T + nR \triangle T$$

دقت کنید چون فرمول $$\triangle U$$ بر حسب تغییرات دما است، بهتر است فرمول کاری که در بالا استفاده می‌کنیم نیز بر حسب تغییرات دمایی نوشته شده باشد. با ساده کردن رابطه بالا و در نظر گرفتن این واقعیت که همواره $$c_p = c_ v+ R$$ برقرار است، خواهیم داشت:

$$\Rightarrow \triangle Q = n \triangle T (c_v + R )$$

$$\Rightarrow \triangle Q = n c_p \triangle T$$

همچنین می‌توانیم گرمای ویژه در فشار ثابت را با داشتن آنتالپی محاسبه کنیم. در بخش قبل نشان دادیم که قانون اول ترمودینامیک برای فرآیند هم فشار و بر حسب آنتالپی معادل با رابطه زیر است:

$$\triangle H = H_2 - H_1 = Q$$

به این ترتیب گرمای مبادله شده در یک فرآیند هم فشار با تغییرات تابع حالت جدید سیستم یا آنتالپی آن برابر است. اگر ظرفیت گرمایی ویژه ماده در فشار ثابت یا $$c_p$$ را به‌صورت توانایی آن ماده در جذب آنتالپی در فشار ثابت تعریف کنیم، این کمیت با مشتق‌گیری جزئی از آنتالپی نسبت به دما به‌دست می‌آید:

$$c_p = (\frac{\partial H}{\partial T} ) _{p, n=1}$$

دقت کنید با این فرمول ظرفیت گرمایی در فشار ثابت برای یک مول از ماده محاسبه می‌شود.

حل مثال و تمرین از فرآیند هم فشار

در بخش‌های گذشته با مفهوم، فرمول‌ها و نمودار فرآیند هم فشار کاملا آشنا شدیم. در این بخش پس از اینکه به کمک جدول زیر مروری داریم بر تمام فرمول‌های این فرآیند ترمودینامیکی، به بررسی و حل چند مثال و تمرین در این زمینه می‌پردازیم:

مثال ۱

گرمای لازم برای بالا رفتن دمای $$3 \ mole$$ از یک گاز تک‌ اتمی ایده‌آل از دمای اولیه $$0 \ C$$ تا دمای نهایی $$100 \ C$$ و طی یک فرآیند ایزوبار چند $$R$$ است؟

پاسخ

دقت کنید می‌دانیم در مورد یک گاز تک‌ اتمی ایده‌آل همواره داریم:

$$c_v = \frac{3}{2} R$$

$$c_p = \frac{5}{2} R$$

به این ترتیب با در نظر گرفتن فرمول مناسب برای تبادل گرما در یک فرآیند هم فشار خواهیم داشت:

$$\triangle Q = n c_p \triangle T$$

$$\Rightarrow \triangle Q = 3 \times \frac{5}{2} R \times (100-0) = 750 R$$

مثال ۲

یک گاز چند اتمی با شش درجه آزادی را در نظر بگیرید که در شرایط انبساط با فشار ثابت $$25 \ J$$ کار انجام می‌دهد. گرمایی که به این گاز داده شده است، چقدر است؟

پاسخ

با توجه به اینکه فرآیند در فشار ثابت رخ داده است، پس یک انبساط هم‌فشار داشته‌ایم. طبق داده‌های صورت سوال، کار انجام شده برای این فرآیند برابر است با:

$$W = nR \triangle T = 25 \ J$$

از طرفی گرمای داده شده به این گاز از رابطه $$\triangle Q = n c_p \triangle T$$ به‌دست می‌آید. در مثال قبل دیدیم که برای یک گاز تک اتمی، گرمای ویژه در فشار ثابت بر حسب $$R$$ برابر است با $$\frac{5}{2} R$$. در این سوال یک گاز چند اتمی داریم و نمی‌توانیم از مقدار قبلی استفاده کنیم. اما با توجه به فرمول کلی زیر که توصیف کننده رابطه بین ثابت گازها، درجات آزادی و گرمای ویژه در فشار ثابت است، می‌توانیم $$c_p$$ را تعیین کنیم:

$$c_p = \frac{f}{2} R + R$$

در این فرمول $$f$$ درجات آزادی گاز ایده‌آل است. در مثال قبلی برای گاز تک اتمی درجات آزادی برابر با $$3$$ بود، به این ترتیب گرمای ویژه در فشار ثابت برابر می‌شود با:

$$c_p = \frac{3}{2} R + R = \frac{5}{2} R$$

اما در این سوال با $$f=6$$ داریم:

$$c_p = \frac{6}{2} R + R = 4 R$$

 به این ترتیب برای گرمای داده شده به گاز در این فرآیند عبارت زیر را به‌دست خواهیم آورد:

$$\Rightarrow \triangle Q = 4nR \triangle T$$

از طرفی با توجه به اینکه $$nR \triangle T = 25 \ J$$ به‌دست آمد، پس داریم:

$$\Rightarrow \triangle Q = 4nR \triangle T = 4\times25 = 100 \ J$$

مثال ۳

فرض کنید گازی در دما و حجم اولیه $$300 \ K$$ و $$3 \ m^3$$ قرار دارد و طی یک فرآیند ایزوبار، دما و حجم آن تغییر می‌کند. اگر دمای نهایی گاز $$450 \ K$$ شود، حجم آن چه تغییری کرده است؟

پاسخ

گفتیم تغییرات دما و حجم در یک فرآیند هم فشار طبق فرمول زیر انجام می‌شود:

$$\frac{V_i}{T_i} = \frac{V_f}{T_f}$$

$$\Rightarrow \frac{3}{300} = \frac{V_f}{450}$$

$$\Rightarrow V_f = 4.5 \ m^3$$

پس حجم گاز در این فرآیند $$1.5 \ m^3$$ افزایش یافته است.

مثال ۴

در چرخه ترمودینامیکی زیر که برای گاز هلیوم با مشخصات $$c_v = \frac{3}{2} R$$ و $$c_p = \frac{5}{2} R$$ داده شده است، کار انجام شده در مسیر $$B$$ تا $$C$$ چقدر است؟

پاسخ

مسیر $$B$$ تا $$C$$ در این نمودار فشار بر حسب حجم، معادل یک فرآیند انبساط هم‌فشار است. سیستم در این مسیر دارای فشار ثابت $$3P_0$$ است و حجم آن از $$V_0$$ تا $$2V_0$$ افزایش یافته است. بنابراین کار انجام شده در این مسیر به کمک فرمول کار برای فرآیند هم‌ فشار که در بخش‌های قبل توضیح داده شد، محاسبه می‌شود:

$$W = P\triangle V$$

$$\Rightarrow W = 3P_0 (2V_0 - V_0 ) = 3P_0V_0$$

تمرین ۱

تمرین ۲

یادگیری ترمودینامیک دانشگاهی با فرادرس

پیش از شروع یادگیری علم ترمودینامیک در سطوح دانشگاهی، ابتدا باید به بخش‌‌هایی از مباحث فیزیک پایه ۳ دانشگاهی کاملا مسلط شوید. در ادامه دو فیلم آموزشی در همین زمینه برای شما فهرست شده‌اند:

• فیلم آموزش فیزیک پایه ۳ فرادرس
• فیلم آموزش فیزیک ۳ – حل تمرین فرادرس

ترمودینامیک یکی از مهم‌ترین مباحث در رشته‌های فیزیک، شیمی، مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی است، به‌ویژه در مطالعه مکانیک سیالات و انتقال حرارت از قوانین این علم استفاده زیادی می‌شود. این مبحث در سطوح پیشرفته‌تر خود از ترمودینامیک کلاسیک عبور کرده و می‌رسد به «مکانیک آماری» که در بیشتر گرایش‌های رشته فیزیک در قالب یک درس سه واحدی تدریس می‌شود و یکی از مباحث پرکاربرد در پیش‌بینی بسیاری از سیستم‌های بی‌نظم و آشفته است. در مکانیک آماری سیستم‌هایی که شامل تعداد بسیار زیادی ذره هستند با استفاده از قوانین کوانتومی مورد مطالعه قرار می‌گیرند. در ادامه چند دوره تصویری در این راستا نیز معرفی شده‌اند:

• فیلم آموزش ترمودینامیک مهندسی شیمی فرادرس
• فیلم آموزش ترمودینامیک پیشرفته فرادرس
• فیلم آموزش ترمودینامیک آماری ۱ فرادرس
• فیلم آموزش نرم افزار HSC Chemistry برای مدل سازی و انجام محاسبات ترمودینامیکی فرادرس

چند نمونه فرآیند هم فشار

مثال‌های رایج این فرآیند در زندگی روزمره عبارت‌اند از تبدیل آب در حال جوش به بخار یا منجد شدن آب و تبدیل آن به یخ. فرآیند اول همان تغییر حالت مایع به گاز است که آن را با تبخیر می‌شناسیم و دومی تغییر حالت انجماد است. در هر دو مورد سیستم ترمودینامیکی موردنظر ما آب است که یا با دریافت گرما از محیط منبسط می‌شود و به علت بیشتر شدن فواصل بین‌مولکولی حالت آن به بخار تغییر می‌کند و یا با دادن گرمای خود به محیط و به دلیل کمتر شدن فاصله مولکول‌ها از هم به حالت جامد (یخ) تبدیل می‌شود. به این ترتیب با تغییر حجم آب و همزمان با تغییر حالت آن، فشار اتمسفریک آن ثابت می‌ماند.

همچنین عملکرد موتورهای حرارتی نیز اغلب بر پایه فرآیندهای هم‌فشار است. این وسایل بر مبنای چرخه‌های ترمودینامیکی که گرما را از یک مخزن گرمایی می‌گیرند، کار می‌کنند. گرما در این تجهیزات بوسیله انجام کار به یک مخزن با دمای پایین یا مخزن سرد منتقل می‌شود. همچنین اغلب مراحلی که در چرخه‌های ترمودینامیکی معروف مانند چرخه برایتون و چرخه رانکین اتفاق می‌افتند، در شرایط ایزوبار هستند. در ادامه این بخش به توضیح مختصر این دو چرخه مهم و نقش فرآیندهای هم‌فشار در آن‌ها می‌پردازیم.

فرآیند هم فشار در  چرخه رانکین

تصویری که در ادامه مشاهده می‌کنید، یک «چرخه رانکین» (Rankine Cycle) ایده‌آل را نشان می‌دهد که شامل چهار فرآیند ترمودینامیکی زیر است:

• تبادل گرما در فشار ثابت (۳-۲-۱)
• انبساط آیزنتروپیک (۴-۳)
• تبادل گرما در فشار ثابت (۵-۴)
• تراکم آیزنتروپیک (۱-۵)

چرخه رانکین یکی از مهم‌ترین بخش‌‌ها در نیروگاه‌های مختلف به‌شمار می‌رود. در این چرخه نوعی سیال پیوسته در حال تبخیر یا متراکم شدن است. انتخاب نوع سیال در این چرخه به بازه دمایی که در دسترس است، بستگی دارد. شروع این چرخه با وارد شدن مایعی با فشار بالا از پمپ تغذیه به مخرن داغ است. این مایع تا دمای اشباع خود حرارت داده می‌شود و پس از آن، افزایش دمای بیشتر مایع منجر به تبخیر آن می‌شود تا زمانی که کاملا به یک بخار اشباع تبدیل شود. در این مرحله فشار سیال ثابت می‌ماند.

همچنین در سومین مرحله این چرخه نیز یک فرآیند هم فشار داریم، به این صورت که مخلوط مایع و بخار خارج شده از توربین در فشار پایین (کمتر از فشار اتمسفریک) و ثابتی متراکم می‌شود. معمولا برای این تراکم از آب سرد در چگالنده استفاده می‌شود.

فرآیند هم فشار در  چرخه برایتون

یکی دیگر از چرخه‌های مهمی که از طریق فرآیندهای هم‌فشار کار می‌کند، «چرخه برایتون» (Brayton Cycle) است که در ساخت موتور توربین‌های گازی بکار می‌رود. چرخه برایتون عملکرد موتورهای حرارتی با فشار ثابت را نشان می‌دهد. همان‌طور که در تصویر زیر ملاحظه می‌کنید، در این سیکل هم دو فرآیند هم فشار داریم که در یک کدام با گرفتن گرما انبساط و در دیگری با از دست دادن گرما تراکم رخ داده است.

بر خلاف چرخه کارنو و مشابه چرخه رانکین، در چرخه برایتون هیچ‌گونه فرآیند هم‌دمایی اجرا نمی‌شود. در مقابل دو فرآیند بی‌درروی برگشت‌پذیر یا آیزنتروپیک در کنار فرآیندهای هم‌فشار داریم.