تمدد الغازات
| الديناميكا الحرارية | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
تمدد الغازات Free expansion يوصف تمدّد الغاز عندما يسخَّن بأنه حراري، ويعرَّف معامل تمدده الحجمي تحت ضغط ثابت مثلما يُعرَّف في تمدّد الجوامد والسوائل، غير حتى معامل تمدّد الغازات الحراري ثابت يساوي 1/273 ، وهوأكبر بكثير من معاملات تمدّد الجوامد والسوائل. أما ما يراد بتمدد الغاز هنا فهوتمدده عندما يتاح له حتى يشغل حجماً أكبر مما كان له نتيجة لانفلاته من خلال صنبور أوحاجز مسامي وهوما يعهد بالتمدد الحر pansion. ويمكن حتى يتمدد بطرائق مختلفة، فهويوصف بأنه متساوي الدرجة isotherm، إذا كانت جدران أوعية الغاز نفوذية للحرارة، أي تنقل الحرارة نقلاً جيداً؛ ويوصف التمدد بأنه كظوم adiabatic، إذا كانت جدران الأوعية لا تنقل الحرارة قط. وأما عمل قوى ضغط الغاز جراء تمدده فإما حتىقد يكون عملاً خارجياً صغيراً أوكبيراً، أوقد يكون عملاً داخلياً، وهذا يتم، بوجه خاص، عندماقد يكون تمدد الغاز في الخلاء، أي في حيزٍ خالٍ تفصله عن الخارج جوانب متينة، ولا يتبادل الغاز حينئذ عملاً مع الوسط الخارجي.
ويمكن تصنيف تمددات الغاز بحسب درجة لاعكوسيتها، فتمدد الغاز في الخلاء أومن خلال جانب ذي مسام أوصنبور ذي فتحة دقيقة هي تمددات غير عكوسة؛ وباللقاء، يقترب تمدد الغاز من العكوسية الميكانيكية إذا كان الغاز يدفع في أثناء تمدده البطيء مكبساً زلقاً مزيَّتاً تقاومه في جميع لحظة قوة تساوي قوى الضغط الي يولدها الغاز. ويكون العمل الذي يقوم به جزيءٌ گرامي من الغاز منذ بداية تمدده حتى نهايته مساوياً:
حيث يشير ض على ضغط الغاز ويدل ح على حجمه. فإذا كان التمدد متساوي الدرجة وكان يخضع لقانون ماريوط Mariotte، أي: ض ح = ثابت
كان العمل
أما إذا كان التمدد كظوماً، وكان الغاز يخضع لمعادلة بواسون Poisson، أي: ض ح γ= ثابت، حيث تساوي γ نسبة الحرارة النوعية ن ض في ضغط ثابت إلى الحرارة النوعية ن ح في حجم ثابت، فإن العمل.
وإذا تمددت كتلة معينة من الغاز تمدداً متساوي الدرجة أوتمدداً كظوماً بدءاً من الشروط ض1، ح1 ، د1 نفسها منتهية في الحالتين بالضغط ض2 نفسه، فإن العمل الذي يقوم به الغاز في حالة التمدد الكظوم قد يكون أقل من عمله في حالة التمدد المتساوي الدرجة؛ ذلك لأن الغاز يبرد حين يتمدد تمدداً كظوماً فينقص ضغطه وينقص من جراء ذلك العمل الناتج. ومن السهل حساب انخفاض درجة الحرارة في حالة غاز تام يخضع لقانون الغازات العام:
وقد تفهم جميع من گاي لوساك Gay-Lussac وجول J.P.Joule تمدد الغاز في الخلاء، أي من غير القيام بعمل خارجي، بافتراض حتى الغاز معزول حرارياً أي طاقته الداخلية ثابتة، فوجدا من تجاربهما حتى الطاقة الداخلية لغاز تام لا علاقة لها بحجمه، وأنها تابعة لدرجة حرارته فقط. ولكن هذه التجارب لم تكن دقيقة بالقدر الذي يمكِّن من كشف التغيرات التي تطرأ على حالة الغاز. وقد عثر هيرْن (1865) G.A.Hirn تبرداً ضئيلاً واضحاً. ويرتبط هذا التبرد بكون الطاقة الداخلية لغاز حقيقي، في درجة حرارة ثابتة، دالة متزايدة مع الحجم بسبب التجاذب بين جزيئات الغاز.
إن التمدد المسمى «تمدد جول ـ كلفن» من خلال حاجز مسامي أوصنبور ذي فتحة دقيقة يتم، إذا كان الغاز معزولاً حرارياً، «بإنطلْبية» enthalpy ثابتةالتحريك الحراري، وتبين التجربة حتى جميع الغازات تتبرد بالتمدد إذا لم تكن قيمة كلٍ من الضغط ودرجة الحرارة الابتدائيين عالية جداً، وإلاّ نجم عن التمدد ازدياد درجة الحرارة؛ ويُستثنى من ذلك الهدروجين والهليوم، إذ إذا تمددهما بدءاً من درجات حرارة عالية يؤدي إلى ازدياد درجة الحرارة وذلك لأن مجال تبريد جول ـ كلفن لغازات كهذه صعبة التمييع يقع في درجات الحرارة المنخفضة جداً؛ فالهدروجين مثلاً لا يؤدي تمدده بدءاً من ضغط منخفض إلى تبريد إلا إذا كانت درجة حرارة الغاز الابتدائية أقل من نحو– 80ْس، وهي درجة حرارة الارتكاس inversion temperature للهدروجين.
الإستخدامات الصناعية
1ـ خفض درجة حرارة الغاز بتمييعه، عملى الرغم من حتى انخفاض درجة الحرارة ضئيل في جميع تمدد إلا أنه يمكن تكراره إلى حتى يتم الوصول إلى درجة الحرارة المنخفضة المطلوبة. أما التمدد الكظوم الذي يرافقه عمل خارجي في طريقة كلود Claude لتمييع الهواء فهوأشد فعالية لكن يصعب تحقيقه للوصول إلى درجات الحرارة المنخفضة جداً والتي يستخدم لبلوغها عادة تمدد الغاز من خلال صنبور ذي فتحة دقيقة.
2ـ الحصول على طاقة ميكانيكية من طاقة حرارية في المحركات ذات المكبس سواء كانت بخارية أوغازية (آلة بخارية، محرك احتراق داخلي أومحرك هواء مضغوط) ويستفاد فيها من عمل ضغط الغاز على المكبس وفي العنفات الغازية إذ تتحول الطاقة الكامنة في الغاز المضغوط والساخن، بتمدده المتوالي إلى طاقة حركية يستفاد منها بتماسها مع رِيَش عنفة دوارة.
انظر أيضاً
- Joule-Thomson effect
المصادر
- ^ طاهر تربدار. "تمدّد الغازات". الموسوعة العربية.
نطقب:Thermodynamics-stub
