می دانیم که انواع مختلف انرژی می توانند به یکدیگر تبدیل شوند، هنگامی که جسمی روی سطح حرکت می کند، مقداری از انرژی جنبشی آن به انرژی درونی جسم و سطح تبدیل می شود یا وقتی ظرف آبی را مقابل نور آفتاب قرار می دهیم، ظرف و آب گرم تر می شوند، در این حالت بخشی از انرژی نورانی به انرژی درونی ظرف و آب تبدیل می شود.

 

برخی از این تبدیل ها خود به خود رخ می دهند اما برای وقوع برخی از تبدیل ها نیاز به طراحی دستگاه های خاص است مثلا برای تبدیل انرژی الکتریکی به نور لامپ اختراع شده است یا برای تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی موتورهای الکتریکی طراحی شده اند که در وسایلی مانند پنکه، جارو برقی و ... به کار می روند؛ حال می خواهیم به بررسی وسایلی بپردازیم که گرما را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند این وسایل ماشین گرمایی نامیده می شوند.

برای آشنایی با طرز کار ماشین های گرمایی و این که از چه قوانینی پیروی می کنند، لازم است علم ترمودینامیک را فرا بگیریم.

قبلا با کمیت های ماکروسکوپیک ماده آشنا شدیم و دانستیم که علم ترمودینامیک رفتار ماده را براساس کمیت های ماکروسکوپیک توصیف می کند.

به عنوان مثال مقدار معینی گاز مطابق شکل در داخل یک استوانه در نظر بگیرید که با پیستونی مسدود شده است. این سیستم با چند کمیت مشخص می شود، در هر لحظه بسته به مکان پیستون، سیستم حجم معینی دارد این حجم را می توان در آزمایشگاه به کمک ابزاری که به پیستون متصل است اندازه گرفت و ثبت کرد.

 

کمیت دیگر که برای مشخص کردن سیستم حتما لازم است، فشار گاز داخل استوانه است که برای اندازه گیری آن می توان از فشار سنج استفاده کرد. سومین کمیتی که این سیستم را مشخص می کند دما نام دارد که این نیز قابل اندازه گیری است.

نکته: هنگامی که دوکمیت از سه کمیت (P,V,T) مشخص باشند می گوییم حالت دستگاه مشخص است.

اگر پیستون برای مدت طولانی ثابت بماند، دما و فشار آن در همه ی نقاط گاز یکسان خواهد بود. در این صورت می گوییم گاز در تعادل است. در حالت تعادل هر یک از کمیت های فشار، دما و حجم گاز مقدار مشخصی دارند.    (V₁ , T₁ , P₁ ) حال اگر گاز را گرم کنیم یا پیستون را به طرف راست یا چپ جا به جا کنیم، مقدار بعضی از کمیت ها (یا همه آن ها) تغییر خواهد کرد و اگر مدت نسبتا طولانی صبر کنیم، این کمیت ها مقدارهای مشخص دیگری چون V₂ , T₂ , P₂ را اختیار خواهند کرد.

پس با استفاده از کمیت های فشار، دما و حجم می توان حالت سیستم را توصیف کرد و گفت سیستم ابتدا در حالتی بود که کمیت های فشار، دما و حجم به ترتیب مقدارهای V₁ , T₁ , P₁ را داشتند سپس با گرم کردن یا جا به جایی پیستون سیستم به حالتی تغییر یافت که در آن این کمیت ها مقادیر V₂ , T₂ , P₂ را اختیار کردند.

متغیرهای ترمودینامیکی از یکدیگر مستقل نیستند و با هم رابطه دارند مثلا اگر با ثابت نگه داشتن پیستون (حجم) گاز را تا دمای معینی گرم کنیم، فشار آن تغییر خواهد کرد. رابطه ی بین متغیرهای ترمودینامیکی معادله ی حالت نامیده می شود. معادله ی حالت یک سیستم در حالت کلی پیچیده است اما آزمایش نشان می دهد که هنگامی که گازها بسیار رقیق اند، معادله ی حالت آ ن ها ساده و مستقل از نوع گاز است؛ در این حالت گاز را گاز کامل می نامند.

برای مقدار معینی گاز کامل نسبت  مقدار ثابتی دارد که این مقدار ثابت به مقدار گاز بستگی دارد و مستقل از نوع گاز است. در نتیجه داریم :                        

 که در آن n مقدار گاز برحسب مول است که به صورت نسبت جرم گاز m به جرم مولکولی M آن تعریف می شود :

معادله حالت گاز کامل که کمیت های P,V,T  را به یکدیگر مربوط می کند به صورتPV=nRT است که در آن Rثابت گازها است و مقدار آن برابر است با      

مرکز یادگیری سایت تبیان