تحقیق ترمودینامیک تشکیل ذرات کاتالیست Ni برای رشد نانو لوله های کر

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 15

ترمودینامیک تشکیل ذرات کاتالیست Ni برای رشد نانو لوله های کربنی

خلاصه:

پارامترهای ترمودینامیکی وابسته به اندازه نظیر انرژی آزاد گیبس، انتالبی و انرژی برای گذار از نانو فیلم Ni به ذرات کاتالیست Ni به منظور پیش درآمدی بر رشد نا لوله های کربنی بررسی شده است. در این تحقیق ما معاملات مشتق شده از دمای ذوب نانو ذرات وابسته به اندازه را بر اساس کارای قبلی خود بررسی کرده ایم. با استفاده از این یافته های ترمودینامیکی دریافت می شود که قطر ذرات Ni سه برابر بیشتر از ضخامت فیلم اصلی است. حداقل ضخامت فیلم لازم برای تبدیل نانو فیلم به نانو ذره از روی اندازه بحرانی و پایدار Ni تبدیل شده به نانو ذره Ni بدست می آید. پیش بینی های ما در توافق وبی با نتایج آزمایشگاهی است.

مقدمه:

در سالهای اخیر به خاطر کاربرد وسیع و خواص بی نظیر نانو لوله های کربنی توجه زیادی به مکانیزم ساخت و تشکیل نانو لوله های کربنی می شود، یکی از روشهای مرسوم برای تشکیل نانو لوله های کربنی تجزیه بخار شیمیایی(CVD) است که این ساختار گرانیتی بر روی سطح فلز حدودا در دمای زیر در تجزیه کربن که بصورت گازی است شکل می گیرد در این فرایند معمولا نانو ذرات کاتالیست ابتدا بر روی سطح بوسیله عملیات حرارتی فیلم نازک رسوب کرده، تشکیل می شوند که این نانو ذرات در جوانه زنی و تشکیل نانو لوله های کربنی شرکت می کنند. اندازه اولیه و تحرک کاتالیست می تواند بطور مشخصی بر تشکیل و پیکربندی نانو لوله های کربنی و دیگر نانو لوله ها یا نانو وایرها تاثیر بگذارد.

ترمودینامیک پایه برای تشکیل نانو ذرات کاتالیست توسط jiang et al بیان شده است که یک مدل برای پیش بینی شرایط یک بعدی برای تبدیل نانو فیلم Ni به نانو ذره Ni و سپس تشکیل نانو ذرات و پوشانده شدن با یک ردیف کربن پیشنهاد کرده است. اساس این مدل و بررسی ها بر تبعیت اندازه از نقطه ذوب نانو ذرات است پیش بینی می شود که شعاع ذرات تبدیل شده 5/1 برابر بزرگتر از ضخامت فیلم اولیه است. Liang et al ترمودینامیک تشکیل نانو ذرات را بوسیله فرایند جوانه زنی وابسته به شکل و حالت ماده(جامد، مایع یا گاز) منبع است که در گزارشات قبلی مورد بررسی قرار نگرفته اند.

در این کار پارامترهای ترمودینامیکی نظیر آنتالپی، انتروپی و انرژی آزاد گیبس برای مدل کردن اندازه بحرانی و پایدار نانو ذرات Ni در نظر گرفته شده اند. این پارامترهای ترمودینامیکی برای پیش بینی تشکیل نانو ذرات Ni از حمام مذاب و منبع فیلم نازک مورد استفاده قرار می گیرند.

در اینجا بررسی دمای ذوب به عنوان تابعی از اندازه بر مبنای کارهای قبلی در نظر گرفته شده است و نتایج با داده های آزمایشگاهی و گزارشات دیگر مقایسه شده اند.

2- مدل و بحث:

1-2: پارامترهای ترمودینامیکی نانو ذره و نانو فیلم:

تغییرات کلی انرژی آزاد(G) برای تشکیل یک جامد از مایع طی فرایند جوانه زنی شامل دو بخش انرژی حجمی و تغییرات انرژی سطحی است.

(1)

g: تغییرات انرژی آزاد گیبس مولی(وابسته به دما) برای تشکیل جامد از مایع

V2: حجم مولی A: مساحت : انرژی سطحی فصل مشترک جامد/مذاب

می توان گفت:

(2)

چون در اینجا ترمودینامیک حالت تعادل بررسی می شود Hm آنتالپی ذوب و Sm انتروپی انجماد(با علامت مخالف) است.

Hm , Sm بصورت زیر محاسبه می شوند:

انتروپی ذوب حداقل شامل سه بخش است: وضعیتی، ارتعاشی و الکتریکی. اگر نوع پیوند شیمیایی در گذار از حالت جامد/مذاب تغییر نکند جز الکتریکی آنقدر کوچک است که قابل چشم پوشی است، جزء وضعیتی هم برای کاتالیست های فلزی و آلی قابل چشم پوشی است. بنابراین روی هم رفته می توان گفت انتروپی و آنتالپی مولی ذوب برای کاتالیست های فلزی و آلی(Sm , Hm) بصورت زیر بیان می شود.

(3)

و

(4)

R: ثابت گازها Tm: دمای ذوب C: ثابت

Sm , Hm: به ترتیب آنتالپی و انتروپی ارتعاشی

کارهای مختلفی برای نشان دادن اینکه دمای ذوب تابعی از اندازه است انجام شده است. در کار قبلی ما بطور گسترده وابستگی دمای ذوب نانو ذرات به اندازه بصورت زیر بیان شد:

تحقیق در مورد قوانین ترمودینامیک

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

دسته بندی : وورد

نوع فایل :  .doc ( قابل ویرایش و آماده پرینت )

تعداد صفحه : 23 صفحه

 قسمتی از متن .doc : 

قوانین ترمودینامیکقانون صفرم ترمودینامیک

در زبان یونانی Thermos به معنای “گرما و حرارت” و Dynamic به معنای “تغییرات” می باشد و لغت Thermodynamic بیانگر شاخه ای از علم فیزیک می باشد که به بررسی رفتار خواص کلی سیستم ها مانند فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و ... می پردازد. از جمله مسایل مورد علاقه این علم می توان به بررسی قوانین حاکم بر تبدیل انرژی گرمایی به کار اشاره. قوانین اصلی حاکم بر این علم بسیار جالب بوده و مصادیق بسیاری در سایر علوم تجربی و نظری نیز دارند سعی خواهیم کرد که طی چند مطلب به تشریح ساده آنها بپردازیم.قانون صفرم (Zeroth law)برای هیچ یک از ما شکی وجود ندارد هنگامی که یک لیوان آب جوش را در یک ظرف بزرگتر آب سرد قرار می دهیم، پس از گذشت زمان لازم دمای آب درون لیوان و آب بیرون آن - درون ظرف بزرگتر - یکسان می شود. اینگونه بنظر می آید که میان دو منبع - منظور لیوان آب جوش و ظرف آب سرد - مفهومی بنام گرما به حرکت در می آید و از جایی که بیشتر است به سمت جایی که کمتر است حرکت می کند تا به تعادل گرمایی برسند.مثال دیگر آنکه هنگامی که یک لیوان آب یخ را بدست میگیرد بوضوح احساس می کنید چیزی - بنام گرما - از دست شما به سمت لیوان جاری می شود و ضمن سرد کردن دست شما به گرم کردن لیوان مشغول می شود. نمونه معکوس حالتی است که شما یک لیوان چای داغ را در درست می گیرد. در هر دو مورد اگر لیوان ها را برای مدت طولانی در دست نگاه داریم دیگر احساس خاصی نخواهیم داشت و دمای لیوان ها با دمای بدن ما یکسان می شود.این نمونه تجربه های به ظاهر ساده مصادیقی از قانون صفرم ترمودینامیک می باشند که معمولآ به اینصورت بیان می شود : “اگر A و B با جسم سومی مانند C در تعادل گرمایی باشند، حتمآ با یکدیگر نیز در تعادل خواهند بود.”دقت کنید که این خاصیت اگر چه بنظر ساده می آید اما در تمام موارد یکسان نیست و حتی شاید به نوعی ابهام هم داشته باشد. بعنوان مثال دلیلی وجود ندارد، اگر آقای A، گربه C را دوست داشته باشد و آقای B هم این گربه را دوست داشته باشد، در آنصورت آقایان A و B به یکدیگر علاقه داشته باشند.قانون صفرم ترمودینامیک در واقع تاکیدی است بر وجود یک کمیت بنام دما که مقدار آن در سیستم های ترمودینامیکی در حال تعادل یکسان می باشد. مشابه این قانون اگرچه در فیزیک الکتریسیته تعریف خاصی شاید نداشته باشد وجود دارد. شما وقتی دو منبع با پتانسیل های مختلف الکتریکی را از طریق یک سیم هادی به یکدیگر متصل کنید و مدار بسته ای تشکیل دهید، جریان الکتریسیته آنقدر در مدار جاری خواهد بود - و تلف خواهد شد - تا پتانسیل دو منبع یکسان شود.علت آنکه این قانون با شماره صفر مشخص می شود آن است که بسیار پایه ای بوده و نیز پس از گذشت سالها اسفتاده از سایر قوانین ترمودینامیک، در اوایل قرن بیستم به جمع قوانین ترمودینامیک پیوسته است.

قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر در حال تعادلند.

قانون اول ترمودینامیک

در زبان یونانی Thermos به معنای “گرما و حرارت” و Dynamic به معنای “تغییرات” می باشد و لغت Thermodynamic بیانگر شاخه ای از علم فیزیک می باشد که به بررسی رفتار خواص کلی سیستم ها مانند فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و ... می پردازد. از جمله مسایل مورد علاقه این علم می توان به بررسی قوانین حاکم بر تبدیل انرژی گرمایی به کار اشاره. قوانین اصلی حاکم بر این علم بسیار جالب بوده و مصادیق بسیاری در سایر علوم تجربی و نظری نیز دارند سعی خواهیم کرد که طی چند مطلب به تشریح ساده آنها بپردازیم.قانون صفرم (Zeroth law)برای هیچ یک از ما شکی وجود ندارد هنگامی که یک لیوان آب جوش را در یک ظرف بزرگتر آب سرد قرار می دهیم، پس از گذشت زمان لازم دمای آب درون لیوان و آب بیرون آن - درون ظرف بزرگتر - یکسان می شود. اینگونه بنظر می آید که میان دو منبع - منظور لیوان آب جوش و ظرف آب سرد - مفهومی بنام گرما به حرکت در می آید و از جایی که بیشتر است به سمت جایی که کمتر است حرکت می کند تا به تعادل گرمایی برسند.مثال دیگر آنکه هنگامی که یک لیوان آب یخ را بدست میگیرد بوضوح احساس می کنید چیزی - بنام گرما - از دست شما به سمت لیوان جاری می شود و ضمن سرد کردن دست شما به گرم کردن لیوان مشغول می شود. نمونه معکوس حالتی است که شما یک لیوان چای داغ را در درست می گیرد. در هر دو مورد اگر لیوان ها را برای مدت طولانی در دست نگاه داریم دیگر احساس خاصی نخواهیم داشت و دمای لیوان ها با دمای بدن ما یکسان می شود.این نمونه تجربه های به ظاهر ساده مصادیقی از قانون صفرم ترمودینامیک می باشند که معمولآ به اینصورت بیان می شود : “اگر A و B با جسم سومی مانند C در تعادل گرمایی باشند، حتمآ با یکدیگر نیز در تعادل خواهند بود.”دقت کنید که این خاصیت اگر چه بنظر ساده می آید اما در تمام موارد یکسان نیست و حتی شاید به نوعی ابهام هم داشته باشد. بعنوان مثال دلیلی وجود ندارد، اگر آقای A، گربه C را دوست داشته باشد و آقای B هم این گربه را دوست داشته باشد، در آنصورت آقایان A و B به یکدیگر علاقه داشته باشند.قانون صفرم ترمودینامیک در واقع تاکیدی است بر وجود یک کمیت بنام دما که مقدار آن در سیستم های ترمودینامیکی در حال تعادل یکسان می باشد. مشابه این قانون اگرچه در فیزیک الکتریسیته تعریف خاصی شاید نداشته باشد وجود دارد. شما وقتی دو منبع با پتانسیل های مختلف الکتریکی را از طریق یک سیم هادی به یکدیگر متصل کنید و مدار بسته ای تشکیل دهید، جریان الکتریسیته آنقدر در مدار جاری خواهد بود - و تلف خواهد شد - تا پتانسیل دو منبع یکسان شود.علت آنکه این قانون با شماره صفر مشخص می شود آن است که بسیار پایه ای بوده و نیز پس از گذشت سالها اسفتاده از سایر قوانین ترمودینامیک، در اوایل قرن بیستم به جمع قوانین ترمودینامیک پیوسته است.

قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید که حالت تعادل ماکروسکوپی یک سیستم با کمیتی به نام انرژی درونی (U) بیان می‌شود. انرژی درونی دارای خاصیتی است که برای یک سیستم منزوی (ایزوله) داریم:

U=مقدار ثابت

اگر به سیستم اجازه? برهم‌کنش با محیط داده شود، سیستم از حالت ماکروسکوپی اولیه? خود به حالت ماکروسکوپی دیگری منتقل می‌شود که تغییر انرژی درونی را برای این تحول (فرآیند) می‌توان به شکل زیر نشان داد:

?U = Q ? W

که در این فرمول W، کار ماکروسکوپی انجام شده توسط سیستم در برابر نیروی خارجی و Q مقدار گرمای جذب شده توسط سیستم در طی این فرآیند است.

نمادگذاری

شمیی و فیزیک

چون در شیمی و فیزیک سیستم مورد توجه است، گرما و کاری که به سیمتم داده می‌شود مورد نظر ماست و انرژی درونی را Q+W در نظر می‌گیریم.(سیستم را بسته,در حالت سکون و در غیاب میداانها در نظر میگیریم)

,

where

dU یک افزایش بی‌اندازه کوچک در انرژی درونی سیستم است.,

?Q یک مقدار بی‌اندازه کوچک از گرما که به سیستم افزوده می‌شود,

?W یک کار بی‌اندازه کوچک که بر روی سیستم انجام می‌شود و

? نماد دیفرانسیل است.

قوانین فیزیک چه محدودیتهایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده انرژی مکانیکی تحمیل می‌کنند. ترمودینامیک درباره تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکلهای انرژی بحث می‌کند. این کار با مطالعه روابط بین پارامترهای صرفا ماکروسکوپی صورت می‌گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می‌کنند. این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوما تا حدی خام است، چرا که همه جزئیات کوچک مقیاس و میکروسکوپی را نادیده می‌گیرد. اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند. برای مثال، مهندسی که رفتارهای گازهای حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می‌کند می‌تواند با کمیتهای ماکروسکوپی همچون دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.در واقع دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می‌توان ماشینی به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد. آنها مدتها بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرحهایی برای این کار پیشنهاد نمودند. شکل زیر یکی از این طرحها را نشان می‌دهد. هدف این بود که ابزار ساخته شده بدون مصرف هیچ گونه سوخت یا هر گونه انرژی ورودی دیگر، کار خروجی بی پایانی را تامین کند. در شکل میله های کوتاه لولا شده، که به میخ‌ها تکیه دارند، وزنه‌ها را به چرخ متصل می‌کنند. وقتی میله‌ها در وضعیت نشان داده شده هستند، عدم توازنی در توزیع وزن وجود دارد که موجب ایجاد یک گشتاور ساعتگرد خواهد شد که چرخ را در جهت نشان داده شده می‌چرخاند. طراح می‌پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را حفظ می‌کند، بلکه به طور دائمی به محور آن انرژی می‌دهد. اما آنچه در عمل اتفاق می‌افتد اینست که پس از یک دور چرخیدن، جرم‌ها در یک وضعیت متعادل باقی می‌مانند و حرکت متوقف می‌شود.

در این راه کوششهای فراوانی صورت گرفت؛ در شکلهای زیر می‌توانید نمونه هایی از طرحهای پیشنهادی را ببینید.

تحقیق در مورد ترمودینامیک

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

دسته بندی : وورد

نوع فایل :  .doc ( قابل ویرایش و آماده پرینت )

تعداد صفحه : 25 صفحه

 قسمتی از متن .doc : 

مقدمه :

اساسی ترین کاربرد ترمودینامیک در متالوژی فیزیکی پیش بینی حالت تعادل برای یک آلیاژ است .

در بررسی های مربوط به دگرگونی های فازی ما همیشه با تغییر سیستم به سمت تعادل روبه رو هستیم. بنابراین ترمودینامیک به صورت یک ابزار بسیار سودمند می تواند عمل کند. باید توجه داشت که ترمودینامیک به تنهایی نمی تواند سرعت رسیدن به حالت تعادل را تعیین کند .

1-تعادل :

یک فاز به عنوان بخشی از یک سیستم تعریف می شود که دارای خصوصیات و ترکیب شیمیایی یکنواخت و همگنی بوده و از نظر فیزیکی از دیگر بخشهای سیستم جداشدنی است . اجزای تشکیل دهنده یک سیستم خاص عناصر مختلف یا ترکیب های شیمیایی است که سیستم را بوجود می آورد و ترکیب شیمیایی یک فاز یا یک سیستم را می توان با مشخص کردن مقدار نسبی هر جزء تشکیل دهنده تعیین کرد .

به طور کلی دلیل رخداد یک دگرگونی این است که حالت اولیه یک آلیاژ نسبت به حالت نهایی ناپایدارتر است اما پایداری یک فاز چگونه تعیین می شود ؟ این پرسش به وسیله ترمودینامیک پاسخ داده می شود . برای دگرگونی هایی که در دما و فشار ثابت رخ می دهد پایداری نسبی یک سیستم از انرژی آزاد گیبس G آن سیستم مشخص می شود .

انرژی آزاد گیبس یک سیستم به صورت زیر تعریف می شود :

( 1-1 ) G=H-TS

که H آنتالپی T دمای مطلق و S آنتروپی سیستم است . آنتالپی میزان گنجایش حرارتی سیستم مورد نظر است و به وسیله رابطه زیر بیان می شود.

( 2-1 ) H=E+PV

که E انرژی درونی سیستم P فشار و V حجم سیستم است . انرژی درونی مجموع انرژی های پتانسیل و جنبشی اتم های درون یک سیستم است. در جامدات انرژی جنبشی تنها ناشی از حرکت ارتعاشی اتم ها است در حالی که در مایعات و گاز ها انرژی جنبشی افزون بر حرکت ارتعاشی اتم ها انرژی انتقالی و انرژی دورانی اتم ها و مولکول ها و گاز ها انرژی جنبشی افزون بر حرکت ارتعاشی اتم ها انرژی انتقالی و انرژی دورانی اتم ها و مولکول های داخل یک مایع یا گاز را نیز در برمیگیرد . انرژی پتانسیل نیز بر اثر اندرکنش ها یا پیوند بین اتم های درون یک سیستم به وجود می آید . هنگامی که یک دگرگونی یا واکنش رخ می دهد حرارت جذب شده یا حرارت آزاد شده به تغییرات در انرژی درونی سیستم ارتباط پیدا می کند اما تغییرات حرارت تابعی از تغییر حجم سیستم نیز بوده و عبارت PV نمایانگر این موضوع است بنابراین در فشار ثابت تغییرات H نشانگر حرارت جذب شده یا آزاد شده است.

هنگامی که یک فاز متراکم (جامد یا مایع) را بررسی می کنیم و عبارت PV در مقایسه با E مقدار بسیار کوچکی است که آن را نادیده می گیرند و .

عبارت دیگری که در رابطه مربوط به G پدیدار می شود آنتروپی ( S ) بوده که بیانگر میزان بی نظمی سیستم است .

هنگامی یک سیستم را در ( حالت ) تعادل می دانند که در پایدارترین حالت خود قرار گرفته باشد یعنی با گذشت زمان هیچ تغییری در سیستم ایجاد نشود . یک نتیجه مهم از قوانین ترمودینامیک کلاسیک این است که در دما و فشار ثابت یک سیستم بسته ( یعنی سیستمی که جرم و ترکیب شیمیایی آن ثابت است ) هنگامی در تعادل پایدار قرار دارد که انرژی آزاد گیپس آن کمترین مقدار ممکن را داشته باشد یا به شکل ریاضی :

( 3-1 ) dG=O

با توجه به تعریف G ( معادله 1-1 ) ملاحظه می شود که پایدارترین حالت هنگامی رخ می دهد که سیستم کمترین آنتالپی و بیشترین آنتروپی را دارا باشد . بنابراین در دماهای پایین فازهای جامد پایدارتر است چون قویترین اتصال بین اتمی را داشته بنابراین کمترین انرژی درونی ( آنتالپی ) را دارد . در دماهای بالا چون عبارت TS - عبارت غالب است بنابراین فازهایی با بی نظمی بیشتر همچون مایعات و گازها که اتم های آنها به آسانی حرکت کرده و جابه جا می شود پایدارتر است .

تعادل که به وسیله معادله 3-1 تعریف می شود را می توان به صورت ترسیمی نیز نشان داد . اگر انرژی آزاد تمام حالت های فرضی ممکن یک سیستم را محاسبه کنیم آرایش پایدار حالتی خواهد بود که انرژی آزاد آن کمترین مقدار است . این موضوع در شکل یک نشان داده شده است و با این فرض که انرژی مربوط به هر یک از آرایش های اتمی مختلف به صورت نقطه ای روی منحنی موجود قرار می گیرد آرایش یا نظم A نشانگر وجود تعادل پایدار است . در این نقطه تغییرات کوچک در ترتیب اتم ها با یک تقریب مرتبه اول تغییری در G ایجاد نمی کند یعنی معادله 3-1 برقرار است . اگر چه همیشه آرایش ها و نظم های دیگری مانند B وجود دارد که در آن نقاط انرژی آزاد به طور موضعی کمینه است و معادله 3-1 را نیز تصدیق می کند ولی کمترین مقدار ممکن G را ندارد . چنین حالت ها یا آرایش هایی را به منظور جدا کردن از حالت پایدار حالت تعادل نیمه پایدار می نامند . حالت های میانی که را حالت ناپایدار می نامند و فقط در کارهای عملی و به طور لحظه ای هنگام انتقال از یک حالت پایدار به حالت دیگر به وجود می آید . اگر بر اثر نوسان های دمایی اتم ها یک نظم یا آرایش حالت میانی بیاید این نظم بسرعت تغییر می کند و اتم ها دوباره نظم یکی از حالت های دارای انرژی آزاد کمینه را به خود می گیرند . اگر بواسطه تغییری در دما یا فشار برای مثال یک سیستم از حالت پایدار به حالت نیمه پایدار حرکت کند با گذشت زمان سیستم به حالت تعادل پایدار جدیدی تغییر حالت می دهد .

شکل یک : تغییرات شماتیک انرژی آزاد گیبس نسبت به نظم و وضعیت اتمها . آرایش یا نظم A کمترین انرژی آزاد را دارد . بنابراین هنگامی که سیستم در تعادل پایدار است دارای چنین نظمی خواهد بود . آرایش B یک تعادل نیمه پایدار است .

بر اساس قوانین ترمودینامیک هر دگرگونی که به کاهش انرژی آزاد سیستم می انجامد امکان پذیر است . بنابراین یک معیار یا ملاک لازم برای هر دگرگونی فازی رابطه زیر است :

( 4-1 )

و به ترتیب انرژی های آزاد حالت های اولیه و نهایی سیستم است . برای یک دگرگونی لازم نیست که یکباره و به طور مستقیم به حالت تعادل پایدار نهایی برسد بلکه دگرگونی می تواند در چندین مرحله و گذر از یک سری حالت های نیمه پایدار میانی به حالت پایدار نهایی برسد .

2-سیستم های یک جزیی :

در این قسمت تغییرات فازی را بررسی می کنیم که در یک سیستم یک جزئی در اثر تغییر دما و در یک فشار ثابت (برای مثال یک اتمسفر) ایجاد می شود. سیستمی که از یک جزء تشکیل شده می تواند یک عنصر خالص یا یک نوع مولکول باشد که در محدوده دمایی مورد نظر تجزیه نمی شود. به منظور تعیین فازهای پایدار و یا دماهای مختلف فازهایی که با یکدیگر در تعادل است باید تغییرات G با دما (T) را بتوان محاسبه کرد .

1-2- انرژی گیبس به صورت تابعی از دما

گرمای ویژه بیشتر مواد بسادگی قابل اندازه گیری و به آسانی در دسترس است و معمولا مانند شکل دو ( الف ) با دما تغییر می کند . گرمای ویژه مقدار حرارتی است ( بر حسب ژول ) که باید به ماده داده شود تا دمای آن یک درجه کلوین افزایش یابد در فشار ثابت این کمیت به وسیله بیان می شود و برابر است با :

( 1-2 )

بنابراین با آگاهی از تغییرات با دما ( T ) می توان تغییرات H با T را محاسبه کرد . در بررسی های مربوط به دگرگونی فازها یا واکنش های شیمیایی فقط تغییرات توابع ترمودینامیکی مورد نیاز است . در نتیجه H را می

تحقیق ترمودینامیک تشکیل ذرات کاتالیست Ni برای رشد نانو لوله های کر

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 15

ترمودینامیک تشکیل ذرات کاتالیست Ni برای رشد نانو لوله های کربنی

خلاصه:

پارامترهای ترمودینامیکی وابسته به اندازه نظیر انرژی آزاد گیبس، انتالبی و انرژی برای گذار از نانو فیلم Ni به ذرات کاتالیست Ni به منظور پیش درآمدی بر رشد نا لوله های کربنی بررسی شده است. در این تحقیق ما معاملات مشتق شده از دمای ذوب نانو ذرات وابسته به اندازه را بر اساس کارای قبلی خود بررسی کرده ایم. با استفاده از این یافته های ترمودینامیکی دریافت می شود که قطر ذرات Ni سه برابر بیشتر از ضخامت فیلم اصلی است. حداقل ضخامت فیلم لازم برای تبدیل نانو فیلم به نانو ذره از روی اندازه بحرانی و پایدار Ni تبدیل شده به نانو ذره Ni بدست می آید. پیش بینی های ما در توافق وبی با نتایج آزمایشگاهی است.

مقدمه:

در سالهای اخیر به خاطر کاربرد وسیع و خواص بی نظیر نانو لوله های کربنی توجه زیادی به مکانیزم ساخت و تشکیل نانو لوله های کربنی می شود، یکی از روشهای مرسوم برای تشکیل نانو لوله های کربنی تجزیه بخار شیمیایی(CVD) است که این ساختار گرانیتی بر روی سطح فلز حدودا در دمای زیر در تجزیه کربن که بصورت گازی است شکل می گیرد در این فرایند معمولا نانو ذرات کاتالیست ابتدا بر روی سطح بوسیله عملیات حرارتی فیلم نازک رسوب کرده، تشکیل می شوند که این نانو ذرات در جوانه زنی و تشکیل نانو لوله های کربنی شرکت می کنند. اندازه اولیه و تحرک کاتالیست می تواند بطور مشخصی بر تشکیل و پیکربندی نانو لوله های کربنی و دیگر نانو لوله ها یا نانو وایرها تاثیر بگذارد.

ترمودینامیک پایه برای تشکیل نانو ذرات کاتالیست توسط jiang et al بیان شده است که یک مدل برای پیش بینی شرایط یک بعدی برای تبدیل نانو فیلم Ni به نانو ذره Ni و سپس تشکیل نانو ذرات و پوشانده شدن با یک ردیف کربن پیشنهاد کرده است. اساس این مدل و بررسی ها بر تبعیت اندازه از نقطه ذوب نانو ذرات است پیش بینی می شود که شعاع ذرات تبدیل شده 5/1 برابر بزرگتر از ضخامت فیلم اولیه است. Liang et al ترمودینامیک تشکیل نانو ذرات را بوسیله فرایند جوانه زنی وابسته به شکل و حالت ماده(جامد، مایع یا گاز) منبع است که در گزارشات قبلی مورد بررسی قرار نگرفته اند.

در این کار پارامترهای ترمودینامیکی نظیر آنتالپی، انتروپی و انرژی آزاد گیبس برای مدل کردن اندازه بحرانی و پایدار نانو ذرات Ni در نظر گرفته شده اند. این پارامترهای ترمودینامیکی برای پیش بینی تشکیل نانو ذرات Ni از حمام مذاب و منبع فیلم نازک مورد استفاده قرار می گیرند.

در اینجا بررسی دمای ذوب به عنوان تابعی از اندازه بر مبنای کارهای قبلی در نظر گرفته شده است و نتایج با داده های آزمایشگاهی و گزارشات دیگر مقایسه شده اند.

2- مدل و بحث:

1-2: پارامترهای ترمودینامیکی نانو ذره و نانو فیلم:

تغییرات کلی انرژی آزاد(G) برای تشکیل یک جامد از مایع طی فرایند جوانه زنی شامل دو بخش انرژی حجمی و تغییرات انرژی سطحی است.

(1)

g: تغییرات انرژی آزاد گیبس مولی(وابسته به دما) برای تشکیل جامد از مایع

V2: حجم مولی A: مساحت : انرژی سطحی فصل مشترک جامد/مذاب

می توان گفت:

(2)

چون در اینجا ترمودینامیک حالت تعادل بررسی می شود Hm آنتالپی ذوب و Sm انتروپی انجماد(با علامت مخالف) است.

Hm , Sm بصورت زیر محاسبه می شوند:

انتروپی ذوب حداقل شامل سه بخش است: وضعیتی، ارتعاشی و الکتریکی. اگر نوع پیوند شیمیایی در گذار از حالت جامد/مذاب تغییر نکند جز الکتریکی آنقدر کوچک است که قابل چشم پوشی است، جزء وضعیتی هم برای کاتالیست های فلزی و آلی قابل چشم پوشی است. بنابراین روی هم رفته می توان گفت انتروپی و آنتالپی مولی ذوب برای کاتالیست های فلزی و آلی(Sm , Hm) بصورت زیر بیان می شود.

(3)

و

(4)

R: ثابت گازها Tm: دمای ذوب C: ثابت

Sm , Hm: به ترتیب آنتالپی و انتروپی ارتعاشی

کارهای مختلفی برای نشان دادن اینکه دمای ذوب تابعی از اندازه است انجام شده است. در کار قبلی ما بطور گسترده وابستگی دمای ذوب نانو ذرات به اندازه بصورت زیر بیان شد:

دانلود قوانین ترمودینامیک

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 22

قوانین ترمودینامیکقانون صفرم ترمودینامیک

در زبان یونانی Thermos به معنای “گرما و حرارت” و Dynamic به معنای “تغییرات” می باشد و لغت Thermodynamic بیانگر شاخه ای از علم فیزیک می باشد که به بررسی رفتار خواص کلی سیستم ها مانند فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و ... می پردازد. از جمله مسایل مورد علاقه این علم می توان به بررسی قوانین حاکم بر تبدیل انرژی گرمایی به کار اشاره. قوانین اصلی حاکم بر این علم بسیار جالب بوده و مصادیق بسیاری در سایر علوم تجربی و نظری نیز دارند سعی خواهیم کرد که طی چند مطلب به تشریح ساده آنها بپردازیم.قانون صفرم (Zeroth law)برای هیچ یک از ما شکی وجود ندارد هنگامی که یک لیوان آب جوش را در یک ظرف بزرگتر آب سرد قرار می دهیم، پس از گذشت زمان لازم دمای آب درون لیوان و آب بیرون آن - درون ظرف بزرگتر - یکسان می شود. اینگونه بنظر می آید که میان دو منبع - منظور لیوان آب جوش و ظرف آب سرد - مفهومی بنام گرما به حرکت در می آید و از جایی که بیشتر است به سمت جایی که کمتر است حرکت می کند تا به تعادل گرمایی برسند.مثال دیگر آنکه هنگامی که یک لیوان آب یخ را بدست میگیرد بوضوح احساس می کنید چیزی - بنام گرما - از دست شما به سمت لیوان جاری می شود و ضمن سرد کردن دست شما به گرم کردن لیوان مشغول می شود. نمونه معکوس حالتی است که شما یک لیوان چای داغ را در درست می گیرد. در هر دو مورد اگر لیوان ها را برای مدت طولانی در دست نگاه داریم دیگر احساس خاصی نخواهیم داشت و دمای لیوان ها با دمای بدن ما یکسان می شود.این نمونه تجربه های به ظاهر ساده مصادیقی از قانون صفرم ترمودینامیک می باشند که معمولآ به اینصورت بیان می شود : “اگر A و B با جسم سومی مانند C در تعادل گرمایی باشند، حتمآ با یکدیگر نیز در تعادل خواهند بود.”دقت کنید که این خاصیت اگر چه بنظر ساده می آید اما در تمام موارد یکسان نیست و حتی شاید به نوعی ابهام هم داشته باشد. بعنوان مثال دلیلی وجود ندارد، اگر آقای A، گربه C را دوست داشته باشد و آقای B هم این گربه را دوست داشته باشد، در آنصورت آقایان A و B به یکدیگر علاقه داشته باشند.قانون صفرم ترمودینامیک در واقع تاکیدی است بر وجود یک کمیت بنام دما که مقدار آن در سیستم های ترمودینامیکی در حال تعادل یکسان می باشد. مشابه این قانون اگرچه در فیزیک الکتریسیته تعریف خاصی شاید نداشته باشد وجود دارد. شما وقتی دو منبع با پتانسیل های مختلف الکتریکی را از طریق یک سیم هادی به یکدیگر متصل کنید و مدار بسته ای تشکیل دهید، جریان الکتریسیته آنقدر در مدار جاری خواهد بود - و تلف خواهد شد - تا پتانسیل دو منبع یکسان شود.علت آنکه این قانون با شماره صفر مشخص می شود آن است که بسیار پایه ای بوده و نیز پس از گذشت سالها اسفتاده از سایر قوانین ترمودینامیک، در اوایل قرن بیستم به جمع قوانین ترمودینامیک پیوسته است.

قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر در حال تعادلند.

قانون اول ترمودینامیک

در زبان یونانی Thermos به معنای “گرما و حرارت” و Dynamic به معنای “تغییرات” می باشد و لغت Thermodynamic بیانگر شاخه ای از علم فیزیک می باشد که به بررسی رفتار خواص کلی سیستم ها مانند فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و ... می پردازد. از جمله مسایل مورد علاقه این علم می توان به بررسی قوانین حاکم بر تبدیل انرژی گرمایی به کار اشاره. قوانین اصلی حاکم بر این علم بسیار جالب بوده و مصادیق بسیاری در سایر علوم تجربی و نظری نیز دارند سعی خواهیم کرد که طی چند مطلب به تشریح ساده آنها بپردازیم.قانون صفرم (Zeroth law)برای هیچ یک از ما شکی وجود ندارد هنگامی که یک لیوان آب جوش را در یک ظرف بزرگتر آب سرد قرار می دهیم، پس از گذشت زمان لازم دمای آب درون لیوان و آب بیرون آن - درون ظرف بزرگتر - یکسان می شود. اینگونه بنظر می آید که میان دو منبع - منظور لیوان آب جوش و ظرف آب سرد - مفهومی بنام گرما به حرکت در می آید و از جایی که بیشتر است به سمت جایی که کمتر است حرکت می کند تا به تعادل گرمایی برسند.مثال دیگر آنکه هنگامی که یک لیوان آب یخ را بدست میگیرد بوضوح احساس می کنید چیزی - بنام گرما - از دست شما به سمت لیوان جاری می شود و ضمن سرد کردن دست شما به گرم کردن لیوان مشغول می شود. نمونه معکوس حالتی است که شما یک لیوان چای داغ را در درست می گیرد. در هر دو مورد اگر لیوان ها را برای مدت طولانی در دست نگاه داریم دیگر احساس خاصی نخواهیم داشت و دمای لیوان ها با دمای بدن ما یکسان می شود.این نمونه تجربه های به ظاهر ساده مصادیقی از قانون صفرم ترمودینامیک می باشند که معمولآ به اینصورت بیان می شود : “اگر A و B با جسم سومی مانند C در تعادل گرمایی باشند، حتمآ با یکدیگر نیز در تعادل خواهند بود.”دقت کنید که این خاصیت اگر چه بنظر ساده می آید اما در تمام موارد یکسان نیست و حتی شاید به نوعی ابهام هم داشته باشد. بعنوان مثال دلیلی وجود ندارد، اگر آقای A، گربه C را دوست داشته باشد و آقای B هم این گربه را دوست داشته باشد، در آنصورت آقایان A و B به یکدیگر علاقه داشته باشند.قانون صفرم ترمودینامیک در واقع تاکیدی است بر وجود یک کمیت بنام دما که مقدار آن در سیستم های ترمودینامیکی در حال تعادل یکسان می باشد. مشابه این قانون اگرچه در فیزیک الکتریسیته تعریف خاصی شاید نداشته باشد وجود دارد. شما وقتی دو منبع با پتانسیل های مختلف الکتریکی را از طریق یک سیم هادی به یکدیگر متصل کنید و مدار بسته ای تشکیل دهید، جریان الکتریسیته آنقدر در مدار جاری خواهد بود - و تلف خواهد شد - تا پتانسیل دو منبع یکسان شود.علت آنکه این قانون با شماره صفر مشخص می شود آن است که بسیار پایه ای بوده و نیز پس از گذشت سالها اسفتاده از سایر قوانین ترمودینامیک، در اوایل قرن بیستم به جمع قوانین ترمودینامیک پیوسته است.

قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید که حالت تعادل ماکروسکوپی یک سیستم با کمیتی به نام انرژی درونی (U) بیان می‌شود. انرژی درونی دارای خاصیتی است که برای یک سیستم منزوی (ایزوله) داریم:

U=مقدار ثابت

اگر به سیستم اجازه? برهم‌کنش با محیط داده شود، سیستم از حالت ماکروسکوپی اولیه? خود به حالت ماکروسکوپی دیگری منتقل می‌شود که تغییر انرژی درونی را برای این تحول (فرآیند) می‌توان به شکل زیر نشان داد:

?U = Q ? W

که در این فرمول W، کار ماکروسکوپی انجام شده توسط سیستم در برابر نیروی خارجی و Q مقدار گرمای جذب شده توسط سیستم در طی این فرآیند است.

نمادگذاری

شمیی و فیزیک

چون در شیمی و فیزیک سیستم مورد توجه است، گرما و کاری که به سیمتم داده می‌شود مورد نظر ماست و انرژی درونی را Q+W در نظر می‌گیریم.(سیستم را بسته,در حالت سکون و در غیاب میداانها در نظر میگیریم)

,

where

dU یک افزایش بی‌اندازه کوچک در انرژی درونی سیستم است.,

?Q یک مقدار بی‌اندازه کوچک از گرما که به سیستم افزوده می‌شود,

?W یک کار بی‌اندازه کوچک که بر روی سیستم انجام می‌شود و

? نماد دیفرانسیل است.

قوانین فیزیک چه محدودیتهایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده انرژی مکانیکی تحمیل می‌کنند. ترمودینامیک درباره تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکلهای انرژی بحث می‌کند. این کار با مطالعه روابط بین پارامترهای صرفا ماکروسکوپی صورت می‌گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می‌کنند. این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوما تا حدی خام است، چرا که همه جزئیات کوچک مقیاس و میکروسکوپی را نادیده می‌گیرد. اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند. برای مثال، مهندسی که رفتارهای گازهای حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می‌کند می‌تواند با کمیتهای ماکروسکوپی همچون دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.در واقع دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می‌توان ماشینی به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد. آنها مدتها بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرحهایی برای این کار پیشنهاد نمودند. شکل زیر یکی از این طرحها را نشان می‌دهد. هدف این بود که ابزار ساخته شده بدون مصرف هیچ گونه سوخت یا هر گونه انرژی ورودی دیگر، کار خروجی بی پایانی را تامین کند. در شکل میله های کوتاه لولا شده، که به میخ‌ها تکیه دارند، وزنه‌ها را به چرخ متصل می‌کنند. وقتی میله‌ها در وضعیت نشان داده شده هستند، عدم توازنی در توزیع وزن وجود دارد که موجب ایجاد یک گشتاور ساعتگرد خواهد شد که چرخ را در جهت نشان داده شده می‌چرخاند. طراح می‌پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را حفظ می‌کند، بلکه به طور دائمی به محور آن انرژی می‌دهد. اما آنچه در عمل اتفاق می‌افتد اینست که پس از یک دور چرخیدن، جرم‌ها در یک وضعیت متعادل باقی می‌مانند و حرکت متوقف می‌شود.

در این راه کوششهای فراوانی صورت گرفت؛ در شکلهای زیر می‌توانید نمونه هایی از طرحهای پیشنهادی را ببینید.