تعریف گرما و دما در ترمودینامیک چیست؟

تعریف گرما و دما در ترمودینامیک به عنوان دو کمیت در ارتباط با هم، قابل بحث است. به عنوان اولین اختلاف در این دو کمیت، به تفاوت در واحد آن ها می توان اشاره کرد. دما یا درجه حرارت با واحد درجه سانتی گراد یا درجه کلوین و گرما با واحد ژول محاسبه و بیان می شود. در بیان اختلاف در تعریف گرما و دما در ترمودینامیک می توان گفت که گرما انتقال انرژی حرارتی و دما انرژی جنبشی متوسط مولکول ها را نشان می دهد. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بیان تعریف گرما و دما در ترمودینامیک و تفاوت بین آن ها می پردازد.

تعریف گرما در ترمودینامیک

گرما به عنوان یک تعریف خاص، انرژی گرمایی است که در صورتی که بین دو سیستم اختلاف دمایی وجود داشته باشد، میان آن ها انتقال می یابد. به عنوان مثال گرما از یک بدن گرم می تواند به بدن سرد منتقل شود. گرما را یک کمیت مقداری می دانند که با یکای ژول بیان می شود و با Q یا q نمایش داده می شود. گرما توصیف و توضیح انتقال انرژی گرمایی بین مولکول های یک سیستم را بیان می کند.

در واقع اندازه گیری چگونگی حرکت یا جریان انرژی، با گرما انجام می شود. به مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیلی که از مولکول های یک جسم حاصل می شود، گرما می گویند. انرژی پویایی متوسط یک جسم گرم تر، بیشتر بوده و اجسام سردتر، دارای انرژی جنبشی متوسط کمتری خواهند بود.

پس همان طور که گفته شد، به محتوای انرژی یک ماده انرژی گرمایی می گویند. مقدار این انرژی با افزایش تعداد ذرات و به واسطه آن با افزایش میزان حرکت و جنبش ذرات، زیاد می شود. عامل موثر دیگر در میزان انرژی گرمایی، جنس ماده مورد نظر است.

روش های انتقال گرما

گرما صورتی از انرژی گرمایی است که با انتقال این انرژی بین اجسامی با اختلاف دما، تعریف می شود. اما انتقال گرما از اجسام با انرژی بالاتر به اجسام با دمای کمتر، از سه طریق رسانش، همرفت و تابش انجام می شود.

در روش رسانش، با گرم شدن یک قسمت از جسم و تحرک بیشتر مولکول های آن قسمت، مولکول های مجاور نیز تحت تاثیر قرار گرفته و به جنبش در می آیند. با انتقال این حرکات به کل مولکول های جسم، کل ماده گرم می شود. میزان رسانایی در جسم جامد (به دلیل نزدیکی مولکول های آن) سریعتر از مایعات و در گازها از همه کمتر خواهد بود.

در همرفت مولکول های ماده همزمان با انتقال گرما، حرکت می کنند. با یک مثال می توان به مفهوم همرفت پی برد. هوای سرد مقابل بخاری با چگالی کمتر، با گرمای بخاری، چگالی کمتری پیدا کرده و گرم شده و به سمت بالا حرکت می کند. جایگزین این هوای سبک، هوای سرد و سنگین دیگری می شود که آن هم با گرم شدن، سبک تر شده و به سمت بالا می رود. این روند ادامه پیدا می کند و جریان همرفتی را به وجود می آورد. جریان همرفتی در فازهای مایع و گاز اتفاق می افتد.

در جریان تابش، بدون وجود ماده، گرما از از فضای بدون ماده عبور می کند. تابش نور خورشید نمونه ای از این نوع انتقال گرماست. در این روش دو عامل دمای جسم و رنگ آن، تاثیرگذار خواهد بود. با بالا بودن دمای یک جسم، میزان تابش آن نیز بیشتر خواهد بود و برعکس جسم با دمای کم، تابش کمتری خواهد داشت.

تعریف دما در ترمودینامیک

امواج الکترومغناطیسی در نتیجه حرکات نامنظم و جنبش مولکول های موجود در یک ماده، منتشر و یا جذب می شوند. دما را به عنوان میزان و معیار شدت حرکات نامنظم ذرات تشکیل دهنده سیستم ها، تعریف می کنند. وقتی در یک ماده دما بالاتر باشد، شدت حرکت و جنبش ذرات آن بیشتر و برعکس با کمتر شدن دمای یک جسم، شدت جنبش ذرات تشکیل دهنده آن کمتر می شود. صفر مطلق به عنوان کمترین دمای ممکن است که در آن، شدت حرکات ذرات کمترین حد است. کمتر از صفر مطلق را یا نمی توان دید و یا در کل وجود ندارد.

برای دمای ترمودینامیکی یا دمای مطلق، دمای منفی وجود ندارد. اما برای دما حد بالایی را نمی توان تصور کرد و هیچ شرطی برای بالاترین مقدار دما وجود ندارد. تعریف دمای ترمودینامیکی با قانون سوم ترمودینامیک بیان می شود که به آن دمای مطلق نیز گفته می شود. چون این دما وابسته به خواص ماده نبوده و صفر مطلق را با توجه به خواص گاز ایده آل بیان می کند.

مقیاس های اندازه گیری دما

دمای کلوین (K) در SI مقیاسی است که برای اندازه گیری دمای ترمودینامیکی استفاده می شود. بر اساس مقیاس گفته شده، در نقطه صفر مطلق، مقدار دما صفر و در نقطه سه گانه، مقدار دما برابر با ۲۷۳,۱۶ کلوین است. نقطه سه گانه به نقطه ای گفته می شود که در آن دمای مشخص و مخصوص، هر سه حالت مایع، بخار و جامد آب به شکل پایدار خواهد بود. اما در حالت عادی و به شکل روزمره از مقیاس دمایی درجه سانتی گراد یا سلسیوس استفاده می شود.

مقدار مقیاس سلسیوس در صفر مطلق برابر ۲۷۳,۱۵- درجه و در نقطه سه گانه برابر ۰,۰۱+ درجه است. مقیاس دما بر حسب درجه سانتی گراد بین دو نقطه انجماد و جوش آب تعریف می شود که برابر با ۰ و ۱۰۰ درجه سانتی گراد هستند. با توجه به نکات گفته شده در بالا، مقیاس درجه کلوین برابر با مقیاس درجه سلسیوس به اضافه ۲۷۳,۱۵ است. اما یک درجه سلسیوس با یک درجه کلوین برابر است.

مقیاس دیگری که برای اندازه گیری دما به کار می رود، درجه فارنهایت است. این مقیاس برابر ۳۲ و ۲۱۲ درجه در دو نقطه انجماد و جوش آب است. با ضرب عدد مربوط به درجه سلسیوس در ۱,۸ و جمع حاصل آن با ۳۲، می توان درجه را بر حسب فارنهایت به دست آورد.

پس نتیجه می گیریم که مقیاس هایی که برای اندازه گیری دما وجود دارد با هم در ارتباط ریاضی بوده و می توان آن ها را به هم تبدیل کرد.

تفاوت و تعریف گرما و دما در ترمودینامیک و ارتباط آن ها

با این که در علم ترمودینامیک، گرما و دما با هم در ارتباط هستند اما هر دو به عنوان یک کمیت و هم معنا در نظر گرفته نمی شوند. اولین تفاوت این که همان طور که در بالا اشاره شد، واحدهای اندازه گیری این دو با هم فرق دارد. واحد اندازه گیری گرما، ژول و واحدهای اندازه گیری دما، کلوین، درجه سانتی گراد و یا فارنهایت است. دما با انرژی جنبشی و حرکتی ذرات تشکیل دهنده ماده، تعریف می شود. اما گرما با برخورد مولکول ها به هم که نتیجه جنبش دایم آن هاست، بین دو سیستم با دماهای متفاوت جابجا می شود.

با انتقال گرما مابین دو جسم با دماهای مختلف، تا هم دما شدن دو سیستم ادامه پیدا می کند. در این هنگام گفته می شود که دو سیستم مذکور با هم در تعادل گرمایی هستند. میزان دمای یک ماده به مقدار آن ماده بستگی ندارد، چون دما یک خاصیت شدتی است. با ثابت بودن دما در یک سیستم، تغییری در آن ایجاد نمی شود. با استفاده از همین خصوصیت، برای تشخیص و شناسایی یک ماده خالص از اندازه گیری نقطه ذوب آن ماده استفاده می کنند. چون جرم ماده هیچ تاثیری در میزان نقطه ذوب ماده ندارد.

تعادل گرمایی (قانون صفرم ترمودینامیک)

قانون صفرم ترمودینامیک بیان می کند که وقتی که سیستم بسته و ایزوله باشد و دو جسم با هم در تعادل گرمایی و حرارتی باشند، هیچ گرمای خالصی بین آن ها منتقل نمی شود. این دو جسم با هم، هم دما هستند. در اجسام با تعادل گرمایی، انتقال خالصی گرما بین آن ها وجود نخواهد داشت. اندازه گیری دمای یک جسم با استفاده از دماسنج، کاربرد قانون صفرم ترمودینامیک را بیان می کند.

وقتی دمای یک مقدار آب با دماسنج خوانده می شود، قبل از قرائت باید صبر کرد که دماسنج  به یک دمای ثابتی برسد. یعنی دماسنج و آب باید به تعادل گرمایی رسیده و هم دما شوند. در همه این اندازه گیری ها باید تصور کرد که هیچ گرمایی از جسم به محیط اطراف منتقل نمی شود. به عبارتی دیگر می توان گفت که با تماس دو جسم هم دما، با جسم سوم، هر سه با یکدیگر هم دما خواهند بود.

ظرفیت گرمایی

بدون این که هیچ تغییری در فاز یک ماده اتفاق بیفتد، مقدار انرژی که لازم است تا میزان درجه حرارت آن ماده تغییر کند، ظرفیت گرمایی نامیده می شود. اما اگر میزان گرمای یک گرم از یک ماده معین به اندازه یک درجه سانتی گراد یا یک درجه کلوین افزایش یابد، به انرژی مورد نیاز برای این کار، ظرفیت گرمایی ویژه می گویند. این کمیت با نماد C یا c نمایش داده شده و با واحد ژول بر کیلوگرم درجه کلوین بیان می شود. حال اگر به جای یک گرم ماده، یک مول آن را در این تعریف قرار دهیم، به آن ظرفیت گرمایی مولی گفته می شود. این کمیت با واحد ژول بر درجه کلوین مول بیان می شود.

محاسبه گرمای q

رابطه ای که می توان با آن میزان گرمای آزاد و یا جذب شده توسط یک ماده را محاسبه کرد به شکل روبه رو است.

q = m c ∆T

در این رابطه m جرم ماده و بر حسب گرم، c ظرفیت گرمایی ویژه ماده و بر حسب ژول بر گرم درجه کلوین، ∆T نشان دهنده تغییرات دمایی در مدت زمان انتقال گرما و q نیز گرمای مبادله شده است. علامت مثبت یا منفی q بستگی به علامت ∆T دارد که مقدار آن از اختلاف بین دمای نهایی و ابتدایی به دست می آید. می توان مقدار q را به عنوان انرژی گرمایی تعریف کرد که بین دو سیستم گرم و سرد که در ارتباط با هم هستند، منتقل می شود.