مسابقه 271
در این مسابقه ابتدا مختصری از علم ترمودینامیک و تاریخچه و دلیل پیشرفت و توسعه آن و کاربردهای آن در زمینه های مختلف برای شما مطرح می‌کنیم و سپس یکی از سوالات المپیاد شیمی 2012 آمریکا را برایتان طرح خواهیم کرد که امیدواریم همه شما دوستان عزیز به آن جواب درست را دهید.
علم ترمودینامیک یک شاخه از علم طبیعی است که در رابطه با گرما و رابطه آن با انرژی و کار است. این علم متغیرهای ماکروسکوپیک (مانند دما، انرژی درونی، انتروپی، و فشار) را که مواد و پرتوزایی را مشخص می‌کنند، تعریف می‌کند و بیان تعریف می‌کند که چگونه آن‌ها با هم مرتبط هستند و تحت چه قوانینی در طول زمان تغییر می‌کنند. علم ترمودینامیک رفتار عمومی تعداد زیادی از اجزای میکروسکوپی را توصیف می‌کند و قوانین این علم می‌توانند از مکانیک آماری بدست آورده شوند.
ترمودینامیک برای موضوعات با گستره‌ی تفاوت وسیعی در علم و مهندسی _ مانند موتورها، تبادلات فازی، واکنش‌های شیمیایی، پدیده انتقال، و حتی سیاه‌چاله‌ها کاربرد دارد. نتایج محاسبات تمودینامیک برای شاخه‌های دیگر علم فیزیک و برای شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی هوا فضا، مهندسی مکانیک، زیست‌شناسی سلولی، مهندسی داروسازی و علم مواد لازم است و در زمینه‌هایی نظیر اقتصاد کاربرد دارد.
بسیاری از مضمون‌های تجربی علم ترمودینامیک در چهار قانون وجود دارند. اولین قانون وجود یک مقدار به نام انرژی درونی یک سیستم را بیان می‌کند، که از انرژی جنبشی حرکت توده‌ای یک سیستم و انرژی پتانسیل متناسب با محیط اطرافش قابل تشخیص است. اولین قانون تبادلات انرژی میان سیستم‌های بسته مانند گرما و کار را مشخص می‌کند. قانون دوم بر روی دوو مقدار دما و انتروپی متمرکز است. انتروپی محدودیت‌ها را نشان می‌دهد، که ناشی از چیزی به نام بازگشت ناپذیری بر اساس مقدار کار ترمودینامیکی که می‌توان توسط فرآیندهای ترمودینامیکی به یک سیستم خارجی وارد کرد، است. دما، که خواص آن البته توسط قانون صفرم ترمودینامیک بصورت پارشیالی (partially) بیان می‌شود، جهت حرکت انرژی مانند گرما میان دو سیستم در تماس حرارتی و ادراک‌های حسی گرم و سرد را معین می‌کند.
 |
 |
| لرد کلوین |
نیکولاس لئونارد سعدی کارنو |
از نظر تاریخی، علم ترمودینامیک به دلیل درخواست افزایش بازدهی موتورهای بخار اولیه گسترش پیدا کرد، بخصوص به دلیل کارهای فیزیکدان فرانسوی نیکولاس لئونارد سعدی کارنو (Nicolas Le’onard Sadi Carnot) (متولد 1824)، کسی که اعتقاد داشت بازدهی موتورهای حرارتی کلید کمک به فرانسه در برد جنگ‌های ناپلئون است. فیزیکدان بریتانیایی متولد ایرلند، لرد کلوین (Lord Kelvin) اولین کسی بود که مفهوم مختصر علم ترمودینامیک را در سال 1854 تنظیم کرد.
ترمو-دینامیک موضوع رابطه میان حرارت برای نیروهای فعال میان اجزای هم جوار بدن، و رابطه میان گرما به عاملیت الکترسیته است.
در ابتدا، ترمودینامیک موتورهای حرارتی اساسا بر روی خواص حرارتی مواد مورد استفاده متمرکز بود؛ مانند بخار. این موضوع سپس به مطالعه انرژی که در فرآیندهای شیمیایی تبادل می‌شود متصل شد، برای مثال یکی از تحقیقاتی که در سال 1840 منتشر شد درباره گرمای واکنش‌های شیمیایی توسط گرماین هس (Germain Hess) بود، که در کل بر روی رابطه تبادلات انرژی میان گرما و کار متمرکز نبود. علم ترمودینامیک شیمیایی نقش انتروپی در واکنش‌های شیمیایی را مطالعه می‌کند. همچنین، علم ترمودینامیک آماری، یا مکانیک آماری، توضیحاتی دربارهی ترمودینامیک ماکروسکوپی توسط پیش بینی‌های آماری حرکت جمعی ذرات بر پایه‌ی مکانیک رفتار میکروسکوپی آن‌ها می‌دهد.
علم ترمودینامیک آنچنان پیشرفته و وسیع است و شامل گستره‌ی وسیعی از واکنش‌ها و پدیده‌های اطراف ما می‌شود که بحث دربارهی این علم در قالب یک مطلب مختصر تنها و تنها سوالات بیشتری را در ذهن خواننده ایجاد کند و وقتی به سراغ جواب این سوال‌ها برویم با دنیایی از مقاله و کتاب و تحقیق مواجه خواهیم شد. در هر صورت آنچه که در اینجا گفته شد، خلاصه‌ای مختصر از مفهوم ترمودینامیک بود. سوالی که در زیر برای شما مطرح می‌شود نیز یک سوال ترمودینامیکی از المپیاد شیمی 2012 آمریکا می‌باشد که امیدواریم تمامی شما دوستان عزیز جواب این سوال را به درستی برای در بخش پاسخ دهید بنویسید.
یک نمونه‌ی گازی در یک محفظه متحرک در فشار ثابت وجود دارد، وقتی دمای آن از 25oC به 75oC افزایش می‌یابد. اگر حجم اولیه گاز 4.2L باشد، تغییر حجم ایجاد شده به دلیل افزایش دما چقدر خواهد بود؟
(اطلاعات لازم: R=8.314J.mol-1.K-1=0.0821L.atm.mol-1.K-1 و 0oC=760mmHg)
1. 0.7L
2. 4.9L
3. 8.4L
4. 12.6L