فيزيك كلي (Physics General)
فيزيك كلي – 1
1-1-1 ساختمان ماده (The structure of matter) در فيزيك كلي
فيزيك كلي، اصولاً ماده از پروتون ها، نوترون ها و الكترون ها تشكيل شده است. با اين وجود ساختارهاي واحد ديگري نيز وجود دارند كه اين واحد ها باثبات نيستند. تمام اين ذرات با چهار ويژگي شناخته مي شوند. بار الكتريكي شان، جرم ساكن شان، اندازه حركت مكانيكي شان و اندازه حركت مغناطيسي شان. تعداد پروتون ها در هسته اتم با عدد اتمي اتم مساوي است. مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها تقريباً با جرم كلي اتم مساوي است.
اين اطلاعات قسمتي از داده هايی است كه مي توان آنها را از جدول تناوبي (مندليف) استفاده نمود.
فيزيك كلي – 2
تعداد الكترون هاي موجود در پوسته الكترون با تعداد نوترون هاي موجود در هسته مساوي است. يعني اتم از لحاظ الكتريكي خنثي است.
فيزيكدان دانماركي، نيلز بوهر، در اوايل سال 1913 از ميان ديگران، نظريه اي ارائه نمود كه نشان داد با واقعيت مطابقت دارد. او نشان داد كه اتم ها فقط در يك حالت ساكن و با انرژي معيني مي توانند ظاهر شوند. اگر اتم از يك حالت انرژي به حالت ديگري از انرژي تغيير شكل دهد، مقداري تشعشع از خود ساطع مي كند، يك فوتون.
اين همان گذارهاي گوناگوني است كه خودشان را به شكل نور با طول موج هاي مختلف معرفي مي نمايند.
اين نورها در يك طيف نگار به صورت خطوط طيف رنگي مرئي اتم، ظاهر مي شوند.
1-1-1 مولكول و حالت هاي مختلف ماده در فيزيك كلي
(The molecule and the different States of matter) در فيزيك كلي
اتم هايي كه بوسيله پيوند شيميايي در كنار يكديگر نگه داشته مي شوند، مولكول ناميده مي شوند. مولكول ها آنقدر كوچك هستند كه به عنوان مثال يك ميلي متر مكعب از هوا در فشار اتمسفري تقريباً 2/55 مولكول در بردارد.
همه مواد در اصل در چهار حالت متفاوت وجود دارند: حالت جامد، حالت مايع، حالت گاز و حالت پلاسما. در حالت جامد، مولكول ها بصورت مستحكمي در يك شبكه به يكديگر متصل هستند. در تمام درجه حرارت هاي بالاي صفر مطلق، مولكول ها مقدار معيني جنبش دارند. در حالت جامد، هر چقدر كه ارتعاش اطراف يك وضعيت متعادل، تندتر باشد درجه حرارت بيشتر مي شود.
وقتي كه به ماده اي در حالت جامد آنقدر گرما داده مي شود كه ساختار صلب شبكه نتواند از جنبش مولكول ها ممانعت كند، مولكول ها شل مي شوند، ماده ذوب مي گردد و به مايع تبديل مي شود .
اگر به مايع بيشتر گرما داده شود، پيوند مولكول ها شكسته مي شود و در هنگام انبساط در تمام جهات حركت مي كند و به گاز تبديل مي شود و با گازهاي موجود ديگر در اتاق مخلوط مي گردد. وقتي كه مولكول هاي گاز سرد مي شوند، سرعتشان كاهش مي يابد و دوباره به يكديگر متصل مي شوند و ميعان شروع مي شود. با اين وجود، اگر مولكول هاي گاز بيشتر گرم شوند، به ذرات مجزائي شكسته مي شوند و پلاسمائي از الكترون ها و ذرات اتمي تشكيل مي دهند.
پوسته الكتروني، ويژگي هاي شيميايي به عناصر مي دهد. در اينجا چند مثال ساده وجود دارد هيدروژن (بالايي) داراي يك الكترون در پوسته الكتروني است هيليوم (وسطي) داراي دو الكترون در يك پوسته الكتروني است ليتيوم (پاييني) داراي الكترون سوم در پوسته دوم الكتروني است.
فيزيك كلي – 3
1-1 واحدهاي فيزيكي (Physical units) در فيزيك كلي
فيزيك كلي – 4
1-1-1 فشار (Pressure) در فيزيك كلي
نيروي وارده بر روي سطح يك سانتي متر مربع ستوني از هوا، كه از سطح دريا به مرز اتمسفر حركت مي كند، حدود N 13/10 است. بنابراين فشار مطلق اتمسفر در سطح دريا حدوداً N 10/13 بر هر مترمربع است كه 1 پاسكال (Pa) در واحد SI، براي فشار ناميده مي شود. يك بررسي اوليه در ابعاد نشان مي دهد كه Pa = 1bar هر چقدر كه از سطح دريا بالاتر باشيد، فشار اتمسفر پايين تر خواهد بود و برعكس.
1-1-1 دما (Temperature) در فيزيك كلي
تعريف شفاف از دماي يك گاز به مراتب از فشار آن سخت تر است. دما معياري از انرژي جنبشي در مولكول ها مي باشد. آنها در درجه حرارت هاي بالاتر، سريع تر حركت مي كنند و جنبش در صفر مطلق متوقف مي شود. مقياس كلوين بر اين اساس قرار دارد، اما در غير اينصورت، همانند مقياس سلسيوس درجه بندي مي شود.
T = t + 273/2
(K) دماي مطلق = T
(˚C) دما = t
1-1-2 ظرفيت گرمايي (Thermal capacity) در فيزيك كلي
ظرفيت گرمايي دلالت دارد بر مقدار گرماي مورد نياز جهت افزايش دماي 1Kg از يك ماده تا 1 K. بدين ترتيب اندازه ظرفيت حرارتي
J / Kg x K خواهد بود. در نتيجه ظرفيت حرارتي مولكولي بصورت
J / mol x K اندازه گيري مي شود.
ظرفيت حرارتي در يك فشار ثابت هميشه از ظرفيت حرارتي در يك حجم ثابت، بزرگتر است. بنابراين، ظرفيت حرارتي برايي يك ماده ثابت نيست، اما بطور كل به همراه دما افزايش مي يابد.
براي كاربرد عملي ممكن است كه غالباً يك مقدار ميانگين مورد استفاده قرار گيرد و اين مقدار ميانگين براي مايعات و جامدات اين چنين است. بنابراين توان مصرفي مورد نظر براي گرما دادن به يك مقدار جرم از تا بدين صورت خواهد بود.
Q m x c x
Q = توان حرارتي (W)
m = مقدار جرم (Kg / S)
C = ظرفيت حرارتي ويژه (J / Kg x K)
t = درجه حرارت (K)
1-1-3 كار (Work ) در فيزيك كلي
كار مكانيكي عبارت است از حاصلضرب يك نيرو در مسافتي كه جسم تحت تأثير آن نيرو پيموده است. درست همانند گرما، كار يك انرژي است كه از جسمي به جسم ديگري منتقل مي شود. تنها تفاوت اين است كه كار يك نيرو است نه دما.
به عنوان مثال، فشردگي گاز را در سيلندر توسط يك پيستون متحرك در نظر بگيريد. فشردگي از طريق نيروئي ايجاد مي شود كه پيستون را حركت مي دهد. بطور همزمان، انرژي از پيستون به گازي كه در محيط بسته قرار دارد، انتقال مي يابد. اين انتقال انرژي در معني ترموديناميك به عنوان كار محسوب مي شود. مجموع انرژي اعمال شده و منتقل شده هميشه ثابت است.
كار مي تواند نتايج متفاوتي را به بار آورد، به عنوان مثال به انرژي پتانسيل، انرژي جنبشي يا انرژي حرارتي تبديل شود.
كار مكانيكي كه باعث ايجاد تغييراتي در حجم گاز يا تركيب گاز مي گردد، يكي از مهمترين فرآيندهاي ترموديناميكي محسوب مي گردد. واحد اندازه گيري بين المللي براي كار، ژول است.
1 J = 1 Nm = 1 Ws
1-2-5- توان (Power) در فيزيك كلي
توان، كاري است كه در واحد زمان انجام مي شود. واحد اندازه گيري بين المللي براي توان، وات است.
1 W = 1 J/s
به عنوان مثال، مقدار توان يا انرژي وارده بر يك محور چرخان در يك كمپرسور به لحاظ كمي به گرماي خارج شده از سيستم بعلاوه گرماي به كار گرفته شده در فشردن گاز، شباهت داد.
1-2-6 مقدار حجم جاري (Volume Rate of flow) در فيزيك كلي
واحد اندازه گيري سيستم بين المللي براي مقدار حجم در حال حركت، است. با اين وجود وقتي كه صحبت درباره مقدار حجم در حال حركت، براي مثال در يك كمپرسور به ميان مي آيد، از واحد ليتر بر ثانيه (l / s) استفاده می شود.
اين مقدار حجم در حال حركت ظرفيت كمپرسور ناميده مي شود، و يا به صورت نرمال (ليتر/ ثانيه) (Nl / s) و يا به عنوان مقدار هواي خروجي آزاد (l / s) بيان مي گردد. با استفاده از واحد نرمال (ليتر / ثانيه) (Nl / s) مقدار هواي در حال حركت را مي توان دوباره به “حالت نرمال” مثلآ در 013/1 بار و˚0 محاسبه كرد. اين واحد، زماني مورد استفاده قرار مي گيرد كه مي خواهيد مقدار جرم را تعيين كنيد.
با استفاده از مقدار هواي خروجي آزاد مي توان مقدار هواي خروجي كمپرسور را دوباره به حالت ورودي استانداردش (فشار ورودي و دماي ورودي) محاسبه كرد. بدين ترتيب اگر بخواهيم محيط را از هوا پر كنيم، مي توانيم محاسبه كنيم كه محيط مورد نظر براي پر شدن به چند ليتر هوا نياز دارد. رابطه اين دو مقدار حجم در حال حركت بصورت زير است. (توجه كنيد كه فرمول زير ميزان رطوبت را به حساب نمي آورد):
مقدار حجم در حال حركت به عنوان سرعت آزاد جريان هوا = (l / s)
مقدار حجم در حال حركت به عنوان نرمال ليتر بر ثانيه = (Nl / s)
دماي ورودي = (˚C)
فشار ورودي = (بار)
