عملية عكسية (الديناميكا الحرارية)

الديناميكا الحرارية
محرك كارنو الحراري الكلاسيكي
الفروع كلاسيكي إحصائية كيميائي الديناميكا الحرارية الكمومية التوازن  / عدم التوازن
القوانين صفر أولاً ثانية ثالث
الأنظمة نظام مغلق نظام مفتوح نظام معزول ولاية معادلة الحالة الغاز المثالي الغاز الحقيقي حالة المادة الطور (المادة) التوازن التحكم في مستوى الصوت الآلات الموسيقية العمليات متساوي الضغط متساوي الأضلاع متحاور أدياباتيك إيزنتروبيا إيزنثالبيك شبه ثابت متعدد الخواص التوسعة المجانية قابلية الانعكاس عدم الرجوع قابلية الرجوع إلى الحالة الطبيعية الدورات محركات حرارية مضخات الحرارة الكفاءة الحرارية
خصائص النظام ملحوظة: المتغيرات المترافقة مكتوبة بخط مائل مخططات العقارات خصائص مكثفة وواسعة النطاق وظائف العملية عمل حرارة وظائف الدولة درجة الحرارة  / الإنتروبيا  ( مقدمة ) الضغط  / الحجم الإمكانات الكيميائية  / عدد الجسيمات جودة البخار خصائص مخفضة
خصائص المواد قواعد بيانات العقارات السعة الحرارية النوعية  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ الانضغاطية  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ التمدد الحراري  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
المعادلات مبرهنة كارنو نظرية كلاوزيوس العلاقة الأساسية قانون الغاز المثالي علاقات ماكسويل العلاقات المتبادلة بين أونسيجر معادلات بريدجمان جدول المعادلات الديناميكية الحرارية
الإمكانات الطاقة الحرة الإنتروبيا الحرة الطاقة الداخلية ${\displaystyle U(S,V)}$ المحتوى الحراري ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ طاقة هلمهولتز الحرة ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ طاقة جيبس ​​الحرة ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
تاريخ ثقافة تاريخ عام إنتروبيا قوانين الغازات آلات الحركة الدائمة فلسفة الانتروبيا والزمن الإنتروبيا والحياة سقاطة براونية شيطان ماكسويل مفارقة الموت الحراري مفارقة لوشميدت التآزر النظريات نظرية السعرات الحرارية Vis viva ("القوة الحية") المكافئ الميكانيكي للحرارة القوة الدافعة المنشورات الرئيسية An Inquiry Concerning the Source ... Friction On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Reflections on the Motive Power of Fire Timelines Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Scientists Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Other Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder
Category
v t e

في الديناميكا الحرارية ، العملية العكسية هي عملية تتضمن نظامًا ومحيطه ، ويمكن عكس اتجاهها من خلال تغييرات لا نهائية في بعض خصائص المحيط، مثل الضغط أو درجة الحرارة. ^{[1] [2]} [ ^3]

طوال العملية العكسية بأكملها، يكون النظام في حالة توازن ترموديناميكي ، سواء فيزيائيًا أو كيميائيًا، وفي حالة توازن ضغط ودرجة حرارة تقريبًا مع محيطه. وهذا يمنع القوى غير المتوازنة وتسارع حدود النظام المتحركة، مما يتجنب بدوره الاحتكاك وغيره من التبديد.

للحفاظ على التوازن، تكون العمليات العكسية بطيئة للغاية ( شبه ثابتة ). يجب أن تحدث العملية ببطء كافٍ بحيث بعد بعض التغيير الطفيف في معلمة ترموديناميكية، يكون لدى العمليات الفيزيائية في النظام وقت كافٍ لتعديل المعلمات الأخرى ذاتيًا لتتناسب مع قيمة المعلمة الجديدة المتغيرة. على سبيل المثال، إذا بقيت حاوية ماء في غرفة لفترة كافية لمطابقة درجة الحرارة الثابتة للهواء المحيط، لكي يكون التغيير الطفيف في درجة حرارة الهواء قابلاً للعكس، يجب أن ينتظر النظام بأكمله من الهواء والماء والحاوية فترة كافية حتى تستقر الحاوية والهواء في درجة حرارة جديدة مطابقة قبل أن يحدث التغيير الصغير التالي. ^[أ] في حين أن العمليات في الأنظمة المعزولة ليست عكسية أبدًا، ^[3] يمكن أن تكون العمليات الدورية عكسية أو غير عكسية. ^[4] العمليات العكسية افتراضية أو مثالية ولكنها أساسية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية . ^[3] يعد ذوبان أو تجميد الجليد في الماء مثالاً على عملية واقعية قابلة للعكس تقريبًا .

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون النظام في حالة توازن (شبه ثابت) مع البيئة المحيطة في جميع الأوقات، ويجب ألا تكون هناك تأثيرات تبديدية، مثل الاحتكاك، حتى يتم اعتبار العملية قابلة للعكس. ^[5]

تعتبر العمليات العكسية مفيدة في الديناميكا الحرارية لأنها مثالية للغاية لدرجة أن معادلات الحرارة وعمل التمدد/الضغط بسيطة. ^[6] وهذا يتيح تحليل العمليات النموذجية ، والتي تحدد عادةً أقصى قدر من الكفاءة التي يمكن تحقيقها في العمليات الحقيقية المقابلة. تستغل التطبيقات الأخرى أن الإنتروبيا والطاقة الداخلية هي وظائف حالة يعتمد تغيرها فقط على الحالات الأولية والنهائية للنظام، وليس على كيفية حدوث العملية. ^[6] لذلك، يمكن حساب التغير في الإنتروبيا والطاقة الداخلية في عملية حقيقية بسهولة تامة من خلال تحليل عملية عكسية تربط بين الحالات الأولية والنهائية الحقيقية للنظام. بالإضافة إلى ذلك، تحدد القابلية للعكس الشرط الديناميكي الحراري للتوازن الكيميائي .

يمكن تنفيذ العمليات الديناميكية الحرارية بإحدى طريقتين: عكسية أو غير عكسية. العملية العكسية الديناميكية الحرارية المثالية خالية من الخسائر التبددية وبالتالي فإن حجم العمل الذي يقوم به النظام أو عليه سيكون في أقصى حد. ومع ذلك، فإن التحويل غير الكامل للحرارة إلى عمل في عملية دورية ينطبق على كل من الدورات العكسية وغير العكسية. كما أن اعتماد العمل على مسار العملية الديناميكية الحرارية لا علاقة له بالعكسية، لأن عمل التمدد، الذي يمكن تصوره على مخطط الضغط والحجم كمساحة أسفل منحنى التوازن، يختلف بالنسبة لعمليات التمدد العكسية المختلفة (على سبيل المثال الأديباتية، ثم المتساوية الحرارة؛ مقابل المتساوية الحرارة، ثم الأديباتية) التي تربط بين نفس الحالات الأولية والنهائية.

في العملية غير القابلة للعكس ، يتم إجراء تغييرات محدودة؛ وبالتالي فإن النظام ليس في حالة توازن طوال العملية. في العملية الدورية، يكون الفرق بين العمل القابل للعكس والعمل الفعلي لعملية ما كما هو موضح في المعادلة التالية:${\displaystyle (\,W_{\mathsf {rev}}\,)}$${\displaystyle (\,W_{\mathsf {act}}\,)}$${\displaystyle \;I=W_{\mathsf {rev}}-W_{\mathsf {act}}~.}$

تغير العمليات العكسية البسيطة ^[3] حالة النظام بطريقة تجعل التغير الصافي في الإنتروبيا المجمعة للنظام ومحيطه صفرًا. (يتم الحفاظ على إنتروبيا النظام وحده فقط في العمليات الأدياباتية العكسية ). ومع ذلك، توضح دورة كارنو أن حالة المحيط قد تتغير في عملية عكسية حيث يعود النظام إلى حالته الأولية. تحدد العمليات العكسية حدود مدى كفاءة المحركات الحرارية في الديناميكا الحرارية والهندسة: العملية العكسية هي تلك التي تتمتع فيها الآلة بأقصى قدر من الكفاءة (انظر دورة كارنو ).

في بعض الحالات، قد يكون من المهم التمييز بين العمليات العكسية والعمليات شبه الساكنة . العمليات العكسية تكون دائمًا شبه ساكنة، لكن العكس ليس صحيحًا دائمًا. ^[2] على سبيل المثال، الضغط اللانهائي للغاز في أسطوانة حيث يوجد احتكاك بين المكبس والأسطوانة هو عملية شبه ساكنة ، ولكنها ليست عكسية . ^[7] على الرغم من أن النظام قد تم دفعه من حالة التوازن بمقدار لا نهائي فقط، فقد فقدت الطاقة بشكل لا رجعة فيه في الحرارة المهدرة، بسبب الاحتكاك ، ولا يمكن استعادتها ببساطة عن طريق تحريك المكبس في الاتجاه المعاكس بنفس المقدار اللانهائي.

تاريخيًا ، استُخدم مصطلح مبدأ تسلا لوصف (من بين أمور أخرى) بعض العمليات العكسية التي اخترعها نيكولا تيسلا . ^[8] ومع ذلك، لم تعد هذه العبارة مستخدمة بشكل تقليدي. ينص المبدأ على أنه يمكن عكس بعض الأنظمة وتشغيلها بطريقة تكميلية. تم تطويره أثناء أبحاث تسلا في التيارات المتناوبة حيث تتنوع شدة التيار واتجاهه دوريًا. أثناء عرض توربين تسلا ، تدور الأقراص ويتم تشغيل الآلات المثبتة على العمود بواسطة المحرك. إذا تم عكس تشغيل التوربين، تعمل الأقراص كمضخة . [ ^9]