lec-13

الشغل work
تعني كلمة الشغل تبادل الطاقة بين النظام و محيطه فعندما يقوم الغاز الساخن بدفع مكبس الاسطوانة في ماكنة السيارة فان الغاز ينجز شغلا فعندما يكبس الغاز في عجلة الدراجة فان الشغل ينجز على الهواء و يعتبر الشغل الاول موجبا و الشغل الثاني سالبا. و الشغل قد يكون ميكانيكيا كما في الامثلة السابقة أو كهربائيا كما في تفريغ خلية كهربائية و الذي يهمنا هو الشغل الميكانيكي الناتج عن تغير حجم النظام بتأثير الضغط الهيدروستاتيكي و لتوضيح ذلك نفرض وجود نظام (غاز, بخار) في اسطوانة ذات مكبس متحرك كما في الشكل أدناه فاذا كانت P تمثل الضغط داخل النظام و A تمثل مساحة مقطع المكبس و F القوة التي يسلطها النظام على السطح الاسفل للمكبس فأن F هي F = PA






وعند حدوث عملية تمدد عكسية تكون القوة الداخلية F متوازنة عمليا مع القوة الخارجية أي ان محصلة القوة f – F تساوي صفر تقريبا و يتحرك المكبس مسافة صغيرة جدا مقدارها dS إلى الأعلى و يكون الشغل الذي ينجزه نظام على محيطه الخارجي هو dW حيث dW = f dS .
dW = f dS = PAdS
Ads = V
dW = PdV
و الشغل الكلي عند تغير الحجم من V2 إلى V1 يكون:-

اما وحدة الشغل فهي الجول في النظام الدولي حيث يكون الضغط مقدرا بالباسكال و هو (N/m2) و الحجم بال(m3) و لتكامل المعادلة السابقة يجب ان تكون P دالة للحجم V أي ان الشغل المنجز لا يعتمد على الحجم الابتدائي و النهائي فقط بل على تغير الضغط اثناء تغير الحجم أيضا. و اذا كان الضغط ثابتا فان عملية التكامل يمكن اجراءها مباشرة

فالشغل الذي ينجزه النظام في عملية الضغط الثابت يساوي حاصل ضرب الضغط في تغير الحجم.

المخطط في المستوي P-V
عندما يتغير حجم نظام (غاز مثلا) بواسطة مكبس متحرك داخل اسطوانة فان وضع المكبس في أي لحظة تتناسب مع الحجم. فإذا سجلت حركة هذا المكبس بقلم يتحرك على المحور الأفقي فوق ورقة بيانية فان هذا القلم يرسم خطا بيانيا كل نقطة من نقاطه تمثل قيمة الحجم الآني فإذا أعطي هذا القلم في نفس الوقت حركة على المحور الشاقولي الذي يتناسب مع الضغط فان تغير حجم و ضغط النظام خلال التمدد أو التقلص تؤثر آنيا وعلى نفس الورقة البيانية, هذه الآلة تدعى مؤشر indicator و المخطط الذي فيه الخط الشاقولي يمثل الضغط و الخط الأفقي يمثل الحجم يدعى مخطط المستوي P-V



















يؤشر المنحني الاول في الشكل اعلاه تغيرات الضغط و الحجم خلال التمدد و تكامل المقدار PdV لهذه العملية هو المساحة المظللة تحت المنحن يالاول و يؤشر المنحني الثاني تقلصا و المساحة المظللة تحت هذا المنحني تمثل الشغل الذي انجز على الغاز و قد اتفق على ان تكون إشارة الشغل الناتجة عن التمدد موجبة و عن التقلص أو الكبس سالبة و الشكل الثالث يمثل المنحني الاول و الثاني معا أي ان النظام اجريت عليه سلسلة من العمليات و اعيد إلى حالته الاصلية و تدعى هذه المنحنيات التي تمثل منحني مغلق بالدورة cycle و المساحة ضمن هذا المنحني المغلق تساوي الفرق بين المساحتين الواقعتين تحت المنحني الاول و الثاني و هي تمثل صافي الشغل خلال الدورة.

اعتماد الشغل على المسار







النقطتان 1و2 تمثلان حالة التوازن الابتدائية و النهائية لنظام و يوجد عدة مسارات لتغير حالة النظام من الابتدائية 1 إلى النهائية 2 و المسار الاول 1? 3 ? 2 ويتكون من عمليتين الاولى ثابتة الضغط و الاخرى ثابتة الحجم و الشغل المنجز خلال هاتين العمليتين هو المساحة تحت المستقيم 1? 3 و الذي يساوي 2P1V1 و المسار الثاني 1? 4? 2 ويتكون من عمليتين الاولى ثابتة الحجم و متغيرة الضغط و الثانية 4 ? 2 ثابتة الضغط ومتغيرة الحجم و الشغل المنجز خلال هاتين العمليتين هو المساحة تحت المستقيم 4 ? 2 و الذي يساوي P1V1 و المسار الثالث هو المنحني 1? 2 و الشغل المنجز يتضح من هذا ان مقدار الشغل المنجز يختلف باختلاف المسار وان الشغل الذي ينجزه النظام لا يعتمد على الحالة الابتدائية و النهائية فقط بل على الحالات التي بينهما أيضا أي على المسار.