Termodynamika

Termodynamika to dziedzina fizyki zajmująca się ciepłem , pracą i temperaturą oraz ich związkiem z energią , entropią oraz fizycznymi właściwościami materii i promieniowania . Zachowaniem się tych wielkości rządzą cztery prawa termodynamiki , które dają opis ilościowy przy użyciu mierzalnych makroskopowych wielkości fizycznych , ale można je wyjaśnić w kategoriach składników mikroskopowych przez mechanika statystyczna . Termodynamika ma zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i inżynierii , zwłaszcza w chemii fizycznej , biochemii , inżynierii chemicznej i inżynierii mechanicznej , ale także w innych złożonych dziedzinach, takich jak meteorologia .

Historycznie rzecz biorąc, termodynamika rozwinęła się z chęci zwiększenia wydajności wczesnych silników parowych , szczególnie dzięki pracy francuskiego fizyka Sadi Carnota (1824), który uważał, że sprawność silnika jest kluczem, który może pomóc Francji wygrać wojny napoleońskie . Szkocko-irlandzki fizyk Lord Kelvin jako pierwszy sformułował zwięzłą definicję termodynamiki w 1854 r., w której stwierdzono: „Termodynamika jest przedmiotem stosunku ciepła do sił działających między sąsiednimi częściami ciał oraz stosunku ciepła do czynnika elektrycznego”. Niemiecki fizyk i matematyk Rudolf Clausius powtórzył zasadę Carnota znaną jako cykl Carnota i nadał teorii ciepła prawdziwszą i solidniejszą podstawę. Jego najważniejsza praca „O ruchomej sile ciepła”, opublikowana w 1850 r., Po raz pierwszy przedstawiła drugą zasadę termodynamiki . W 1865 roku wprowadził pojęcie entropii . W 1870 roku wprowadził twierdzenie o wiriale , które odnosiło się do ciepła .

Początkowe zastosowanie termodynamiki do mechanicznych silników cieplnych zostało szybko rozszerzone na badanie związków chemicznych i reakcji chemicznych. Termodynamika chemiczna bada naturę roli entropii w procesie reakcji chemicznych i zapewniła większość ekspansji i wiedzy w tej dziedzinie. Pojawiły się inne sformułowania termodynamiki. Termodynamika statystyczna lub mechanika statystyczna zajmuje się statystycznymi przewidywaniami zbiorowego ruchu cząstek na podstawie ich mikroskopijnego zachowania. w 1909 r. Constantin Carathéodory przedstawił czysto matematyczne podejście w aksjomatycznym sformułowaniu, opis często określany jako termodynamika geometryczna .

Wstęp

Opis dowolnego układu termodynamicznego wykorzystuje cztery prawa termodynamiki , które tworzą podstawę aksjomatyczną. Pierwsze prawo określa, że ​​energia może być przenoszona między układami fizycznymi jako ciepło , jako praca i wraz z przenoszeniem materii. Drugie prawo definiuje istnienie wielkości zwanej entropią , która termodynamicznie opisuje kierunek, w którym system może ewoluować, i określa ilościowo stan uporządkowania systemu, i która może być wykorzystana do ilościowego określenia użytecznej pracy, którą można wydobyć z systemu .

W termodynamice bada się i kategoryzuje interakcje między dużymi zespołami obiektów. Centralne znaczenie mają tu koncepcje układu termodynamicznego i jego otoczenia . Układ składa się z cząstek, których średnie ruchy określają jego właściwości, a te właściwości są z kolei powiązane ze sobą za pomocą równań stanu . Właściwości można łączyć, aby wyrazić energię wewnętrzną i potencjały termodynamiczne , które są przydatne do określania warunków równowagi i procesów spontanicznych .

Dzięki tym narzędziom termodynamikę można wykorzystać do opisania reakcji systemów na zmiany w ich środowisku. Można to zastosować do wielu różnych zagadnień w nauce i inżynierii , takich jak silniki , przemiany fazowe , reakcje chemiczne , zjawiska transportu , a nawet czarne dziury . Wyniki termodynamiki są istotne dla innych dziedzin fizyki oraz dla chemii , inżynierii chemicznej , inżynierii korozji , inżynieria lotnicza , inżynieria mechaniczna , biologia komórki , inżynieria biomedyczna , materiałoznawstwo i ekonomia , by wymienić tylko kilka.

Ten artykuł koncentruje się głównie na klasycznej termodynamice, która bada przede wszystkim układy w równowadze termodynamicznej . Termodynamika nierównowagowa jest często traktowana jako rozszerzenie klasycznego podejścia, ale mechanika statystyczna przyniosła wiele postępów w tej dziedzinie.

Historia

Reprezentanci termodynamiki reprezentujący osiem założycielskich szkół termodynamiki. Szkoły, które najbardziej przyczyniły się do powstania nowoczesnych wersji termodynamiki, to szkoła berlińska, szczególnie ta, która powstała w podręczniku Rudolfa Clausiusa Mechaniczna teoria ciepła z 1865 r ., szkoła wiedeńska z mechaniką statystyczną Ludwiga Boltzmanna oraz szkoła Gibbsian school na Yale University, amerykański inżynier Willard Gibbs ' 1876 On the Equilibrium of Heterogeneous Substances uruchomienie termodynamika chemiczna .

Historia termodynamiki jako dyscypliny naukowej na ogół zaczyna się od Otto von Guericke , który w 1650 roku zbudował i zaprojektował pierwszą na świecie pompę próżniową i zademonstrował próżnię za pomocą swoich półkul magdeburskich . Guericke był zmuszony zrobić próżnię, aby obalić długo utrzymywane przypuszczenie Arystotelesa, że ​​„natura nie znosi próżni” . Wkrótce po tym, jak Guericke, anglo-irlandzki fizyk i chemik Robert Boyle dowiedział się o projektach Guericke'a iw 1656 roku, we współpracy z angielskim uczonym Robert Hooke zbudował pompę powietrza. Korzystając z tej pompy, Boyle i Hooke zauważyli korelację między ciśnieniem , temperaturą i objętością . Z czasem sformułowano prawo Boyle'a , które mówi, że ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne . Następnie, w 1679 roku, w oparciu o te koncepcje, współpracownik Boyle'a, Denis Papin , zbudował warnik parowy , który był zamkniętym naczyniem z ciasno dopasowaną pokrywą, która zatrzymywała parę do momentu wytworzenia wysokiego ciśnienia.

Późniejsze projekty zawierały zawór uwalniający parę, który chronił maszynę przed eksplozją. Obserwując rytmiczny ruch zaworu w górę iw dół, Papin wpadł na pomysł tłokowo -cylindrowego. Nie zrealizował jednak swojego projektu. Niemniej jednak w 1697 r., w oparciu o projekty Papina, inżynier Thomas Savery zbudował pierwszy silnik, a następnie Thomas Newcomen w 1712 r. Chociaż te wczesne silniki były prymitywne i nieefektywne, przyciągnęły uwagę czołowych naukowców tamtych czasów.

Podstawowe koncepcje pojemności cieplnej i ciepła utajonego , które były niezbędne do rozwoju termodynamiki, zostały opracowane przez profesora Josepha Blacka na Uniwersytecie w Glasgow, gdzie James Watt był zatrudniony jako konstruktor przyrządów. Black i Watt przeprowadzali razem eksperymenty, ale to Watt wpadł na pomysł zewnętrznego skraplacza , który zaowocował dużym wzrostem wydajności silnika parowego . Opierając się na wszystkich poprzednich pracach, prowadził Sadi Carnot , „ojciec termodynamiki”, aby opublikować Refleksje na temat siły napędowej ognia (1824), dyskurs na temat ciepła, mocy, energii i wydajności silnika. Książka nakreśliła podstawowe relacje energetyczne między silnikiem Carnota , cyklem Carnota i siłą napędową. To zapoczątkowało termodynamikę jako nowoczesną naukę.

Pierwszy podręcznik termodynamiki został napisany w 1859 roku przez Williama Rankine'a , pierwotnie wykształconego fizyka i profesora inżynierii lądowej i mechanicznej na Uniwersytecie w Glasgow . Pierwsza i druga zasada termodynamiki pojawiły się jednocześnie w latach pięćdziesiątych XIX wieku, głównie w pracach Williama Rankine'a , Rudolfa Clausiusa i Williama Thomsona (Lorda Kelvina). Podstawy termodynamiki statystycznej położyli tacy fizycy jak James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann , Max Planck , Rudolf Clausius i J. Willard Gibbs .

Clausius, który jako pierwszy przedstawił podstawowe idee drugiego prawa w swoim artykule „O poruszającej się sile ciepła”, opublikowanym w 1850 r. I nazywany jest „jednym z ojców założycieli termodynamiki”, wprowadził pojęcie entropii w 1865 r .

W latach 1873-76 amerykański fizyk matematyczny Josiah Willard Gibbs opublikował serię trzech artykułów, z których najsłynniejszy to On the Equilibrium of Heterogeneous Substances , w których pokazał, jak procesy termodynamiczne , w tym reakcje chemiczne , mogą być analizowane graficznie, badając energia , entropia , objętość , temperatura i ciśnienie układu termodynamicznego _ w ten sposób można określić, czy proces przebiegałby spontanicznie. Również Pierre Duhem w XIX wieku pisał o termodynamice chemicznej. Na początku XX wieku chemicy tacy jak Gilbert N. Lewis , Merle Randall i EA Guggenheim zastosowali matematyczne metody Gibbsa do analizy procesów chemicznych.

Etymologia

Etymologia termodynamiki ma zawiłą historię. Po raz pierwszy został zapisany w formie łączników jako przymiotnik ( termodynamiczny ), a od 1854 do 1868 jako rzeczownik termodynamika reprezentujący naukę o uogólnionych silnikach cieplnych.

Amerykański biofizyk Donald Haynie twierdzi, że termodynamika powstała w 1840 roku z greckiego rdzenia θέρμη therme, oznaczającego „ciepło” i δύναμις dynamis, oznaczającego „moc”.

Pierre Perrot twierdzi, że termin termodynamika został ukuty przez Jamesa Joule'a w 1858 r. W celu określenia nauki o stosunkach między ciepłem a mocą, jednak Joule nigdy nie użył tego terminu, ale zamiast tego użył terminu doskonały silnik termodynamiczny w odniesieniu do frazeologii Thomsona z 1849 r.

Do 1858 r. termodynamika jako termin funkcjonalny została użyta w artykule Williama Thomsona „An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat”.

Działy termodynamiki

Badanie systemów termodynamicznych rozwinęło się w kilka powiązanych gałęzi, z których każda wykorzystuje inny model podstawowy jako podstawę teoretyczną lub eksperymentalną lub stosuje zasady do różnych typów systemów.

Termodynamika klasyczna

Termodynamika klasyczna to opis stanów układów termodynamicznych w stanie bliskim równowagi, który wykorzystuje makroskopowe, mierzalne właściwości. Służy do modelowania wymiany energii, pracy i ciepła w oparciu o prawa termodynamiki . Kwalifikator klasyczny odzwierciedla fakt, że reprezentuje pierwszy poziom rozumienia przedmiotu, jaki rozwinął się w XIX wieku i opisuje zmiany systemu w kategoriach makroskopowych parametrów empirycznych (o dużej skali i mierzalnych). Mikroskopowa interpretacja tych pojęć została później dostarczona przez rozwój mechaniki statystycznej .

Mechanika statystyczna

Mechanika statystyczna , znana również jako termodynamika statystyczna, pojawiła się wraz z rozwojem teorii atomowych i molekularnych pod koniec XIX i na początku XX wieku i uzupełniła klasyczną termodynamikę o interpretację mikroskopowych oddziaływań między poszczególnymi cząstkami lub stanami mechaniki kwantowej. Dziedzina ta wiąże mikroskopowe właściwości poszczególnych atomów i cząsteczek z makroskopowymi właściwościami masowymi materiałów, które można zaobserwować w skali człowieka, wyjaśniając w ten sposób klasyczną termodynamikę jako naturalny wynik statystyki, mechaniki klasycznej i teorii kwantowej na poziomie mikroskopowym .

Termodynamika chemiczna

Termodynamika chemiczna to nauka o wzajemnym związku energii z reakcjami chemicznymi lub fizyczną zmianą stanu skupienia w granicach praw termodynamiki . Podstawowym celem termodynamiki chemicznej jest określenie spontaniczności danej przemiany.

Termodynamika równowagi

Termodynamika równowagi to badanie transferów materii i energii w układach lub ciałach, które za pomocą czynników w ich otoczeniu mogą być przenoszone z jednego stanu równowagi termodynamicznej do drugiego. Termin „równowaga termodynamiczna” oznacza stan równowagi, w którym wszystkie makroskopowe przepływy są zerowe; w przypadku najprostszych układów lub ciał ich intensywne właściwości są jednorodne, a ich ciśnienia są prostopadłe do ich granic. W stanie równowagi nie ma niezrównoważonych potencjałów ani sił napędowych między makroskopowo różnymi częściami systemu. Głównym celem termodynamiki równowagi jest: biorąc pod uwagę układ w dobrze określonym początkowym stanie równowagi, biorąc pod uwagę jego otoczenie i jego konstytutywne ściany, obliczyć, jaki będzie końcowy stan równowagi układu po zmianie określonej operacji termodynamicznej jego mury lub otoczenie.

Termodynamika nierównowagowa

Termodynamika nierównowagowa to dział termodynamiki zajmujący się układami, które nie znajdują się w równowadze termodynamicznej . Większość układów występujących w przyrodzie nie znajduje się w równowadze termodynamicznej, ponieważ nie znajdują się one w stanach stacjonarnych i podlegają ciągłym i nieciągłym przepływom materii i energii do iz innych układów. Badanie termodynamiczne układów nierównowagowych wymaga bardziej ogólnych pojęć niż te, którymi zajmuje się termodynamika równowagowa. Wiele systemów naturalnych do dziś pozostaje poza zakresem obecnie znanych makroskopowych metod termodynamicznych.

Prawa termodynamiki

Główny artykuł: Prawa termodynamiki

Wersja kolorowa oryginalnego silnika cieplnego Carnota z 1824 r. Z adnotacjami, przedstawiająca ciało gorące (kocioł), ciało robocze (system, para) i ciało zimne (woda), litery oznaczone zgodnie z punktami zatrzymania w cyklu Carnota .

Termodynamika opiera się zasadniczo na zbiorze czterech praw, które są powszechnie obowiązujące, gdy stosuje się je do systemów, które mieszczą się w ograniczeniach implikowanych przez każde z nich. W różnych teoretycznych opisach termodynamiki prawa te mogą być wyrażone w pozornie różnych formach, ale najważniejsze sformułowania są następujące.

Prawo zerowe

Zerowa zasada termodynamiki mówi: Jeżeli dwa układy znajdują się w równowadze termicznej z trzecim, to są również w równowadze termicznej między sobą.

To stwierdzenie implikuje, że równowaga termiczna jest relacją równoważności na zbiorze rozważanych układów termodynamicznych . O układach mówi się, że są w równowadze, jeśli małe, przypadkowe wymiany między nimi (np. ruchy Browna ) nie prowadzą do zmiany energii netto. To prawo jest milcząco przyjmowane przy każdym pomiarze temperatury. Tak więc, jeśli ktoś stara się zdecydować, czy dwa ciała mają tę samą temperaturę , nie jest konieczne ich stykanie i mierzenie zmian ich obserwowalnych właściwości w czasie. Prawo zawiera empiryczną definicję temperatury i uzasadnienie konstrukcji praktycznych termometrów.

Prawo zerowe nie było początkowo uznawane za odrębną zasadę termodynamiki, ponieważ jego podstawa w równowadze termodynamicznej była implikowana w innych prawach. Pierwsze, drugie i trzecie prawo zostało już wyraźnie określone i znalazło powszechną akceptację w społeczności fizyków, zanim zdano sobie sprawę ze znaczenia prawa zerowego dla definicji temperatury. Ponieważ zmiana numeracji innych praw była niepraktyczna, nazwano je prawem zerowym .

Pierwsze prawo

Pierwsza zasada termodynamiki zmiana energii wewnętrznej stwierdza : W procesie bez $przenoszenia$$ciepła$ układu termodynamicznego jest energii uzyskanej w postaci $o$ pracę termodynamiczną wykonaną przez system na jego otoczeniu.

${\ Displaystyle \ Delta U = QW}$ .

gdzie oznacza zmianę energii wewnętrznej układu zamkniętego $($ dla którego możliwe jest ciepło lub praca przez granicę układu, ale przenoszenie materii nie jest możliwe), U $\ displaystyle Q}$ ilość energii dostarczanej do układu w postaci ciepła, a $ilość$ pracy termodynamicznej wykonanej przez układ w jego otoczeniu. Równoważnym stwierdzeniem jest to, że perpetuum mobile pierwszego rodzaju są niemożliwe; praca $otoczeniu wymaga zmniejszenia$$lub zużycia$ energii wewnętrznej systemu , tak że ilość energii wewnętrznej utraconej w wyniku tej pracy musi zostać uzupełniona $. displaystyle Q} przez zewnętrzne źródło energii lub jako praca przez$$odzyskiwana$ maszynę działającą na system (tak, że jest ), aby system działał nieprzerwanie.

W przypadku procesów, które obejmują przenoszenie materii, potrzebne jest dalsze stwierdzenie: z należytym uwzględnieniem odpowiednich podstawowych stanów odniesienia układów, gdy dwa układy, które mogą mieć różne składy chemiczne, początkowo oddzielone jedynie nieprzepuszczalną ścianą i w inny sposób odizolowane , są następnie łączone w nowy system przez termodynamiczną operację usuwania ściany

${\ Displaystyle U_ {0} = U_ {1} + U_ {2}}$ ,

gdzie U ₀ oznacza energię wewnętrzną układu połączonego, a U ₁ i U ₂ oznaczają energie wewnętrzne odpowiednich rozdzielonych układów.

Zaadaptowane dla termodynamiki prawo to jest wyrazem zasady zachowania energii , która mówi, że energia może być przekształcana (zmieniana z jednej postaci w drugą), ale nie może być tworzona ani niszczona.

Energia wewnętrzna jest podstawową właściwością stanu termodynamicznego , podczas gdy ciepło i praca to sposoby przenoszenia energii, dzięki którym proces może zmienić ten stan. Zmianę energii wewnętrznej układu można osiągnąć przez dowolną kombinację ciepła dodanego lub usuniętego oraz pracy wykonanej na układzie lub przez układ. Jako funkcja stanu , energia wewnętrzna nie zależy od sposobu, ani od drogi przez etapy pośrednie, przez które system osiągnął swój stan.

Drugie prawo

Tradycyjna wersja drugiej zasady termodynamiki głosi: Ciepło nie przepływa spontanicznie z ciała zimniejszego do ciała cieplejszego.

Drugie prawo odnosi się do układu materii i promieniowania, początkowo z niejednorodnościami temperatury, ciśnienia, potencjału chemicznego i innych intensywnych właściwości , które są spowodowane wewnętrznymi „ograniczeniami” lub nieprzepuszczalnymi sztywnymi ścianami wewnątrz niego lub siłami nałożonymi z zewnątrz . Prawo stwierdza, że ​​gdy system jest odizolowany od świata zewnętrznego i od tych sił, istnieje określona wielkość termodynamiczna, jego entropia , która rośnie wraz z usuwaniem ograniczeń, ostatecznie osiągając maksymalną wartość w równowadze termodynamicznej, kiedy niejednorodności praktycznie znikać. W przypadku układów, które początkowo są dalekie od równowagi termodynamicznej, chociaż zaproponowano kilka, nie jest znana ogólna zasada fizyczna określająca szybkości zbliżania się do równowagi termodynamicznej, a termodynamika nie zajmuje się takimi szybkościami. Wszystkie wersje drugiego prawa wyrażają tzw nieodwracalności takiego podejścia do równowagi termodynamicznej.

W termodynamice makroskopowej druga zasada jest podstawową obserwacją mającą zastosowanie do każdego rzeczywistego procesu termodynamicznego; w termodynamice statystycznej postuluje się, że drugie prawo jest konsekwencją chaosu molekularnego.

Trzecie prawo

Trzecia zasada termodynamiki mówi: Gdy temperatura układu zbliża się do zera absolutnego, wszystkie procesy ustają, a entropia układu zbliża się do wartości minimalnej.

To prawo termodynamiki jest statystycznym prawem natury dotyczącym entropii i niemożności osiągnięcia temperatury zera absolutnego . Prawo to stanowi absolutny punkt odniesienia dla określenia entropii. Entropia wyznaczona względem tego punktu jest entropią bezwzględną. Alternatywne definicje obejmują „entropię wszystkich systemów i wszystkich stanów systemu jest najmniejsza przy zera absolutnym” lub równoważnie „nie jest możliwe osiągnięcie temperatury zera absolutnego przez dowolną skończoną liczbę procesów”.

Zero bezwzględne, przy którym wszelka aktywność ustałaby, gdyby było to możliwe, wynosi -273,15 ° C (stopni Celsjusza) lub -459,67 ° F (stopni Fahrenheita) lub 0 K (kelwin) lub 0 ° R (stopnie Rankine'a ).

Modele systemowe

Schemat ogólnego układu termodynamicznego

Ważnym pojęciem w termodynamice jest układ termodynamiczny , który jest dokładnie określonym obszarem badanego wszechświata. Wszystko we wszechświecie oprócz systemu nazywa się otoczeniem . System jest oddzielony od reszty wszechświata granicą , która może być fizyczna lub umowna, ale służy do ograniczenia systemu do skończonej objętości. Segmenty granicy są często opisywane jako ściany ; mają odpowiednio zdefiniowane „przepuszczalności”. Przenoszenie energii w postaci pracy lub ciepła lub materii między systemem a otoczeniem odbywa się przez ściany, zgodnie z ich odpowiednią przepuszczalnością.

Materia lub energia, które przechodzą przez granicę, aby spowodować zmianę energii wewnętrznej układu, muszą być uwzględnione w równaniu bilansu energetycznego. Objętość zawarta w ścianach może być obszarem otaczającym energię rezonansową pojedynczego atomu, taką jak Max Planck w 1900 roku; może to być ciało pary lub powietrza w silniku parowym , takie jak Sadi Carnot zdefiniował w 1824 r. Układ może również być tylko jednym nuklidem (tj. układem kwarków ), zgodnie z hipotezą termodynamiki kwantowej . Kiedy przyjmie się luźniejszy punkt widzenia i zrezygnuje się z wymogu równowagi termodynamicznej, układ może być ciałem cyklonu tropikalnego , takiego jak teoretyzowany przez Kerry'ego Emanuela w 1986 roku w dziedzinie termodynamiki atmosferycznej lub horyzontem zdarzeń czarnej dziury .

Istnieją cztery rodzaje granic: stałe, ruchome, rzeczywiste i urojone. Na przykład w silniku stała granica oznacza, że ​​tłok jest zablokowany w swoim położeniu, w którym może zachodzić proces stałej objętości. Jeśli tłok może się poruszać, ta granica jest ruchoma, podczas gdy granice cylindra i głowicy cylindrów są stałe. W przypadku systemów zamkniętych granice są rzeczywiste, podczas gdy w przypadku systemów otwartych granice są często urojone. W przypadku silnika odrzutowego można założyć stałą wyimaginowaną granicę na wlocie do silnika, stałą granicę wzdłuż powierzchni obudowy i drugą stałą wyimaginowaną granicę w poprzek dyszy wydechowej.

Ogólnie rzecz biorąc, termodynamika wyróżnia trzy klasy systemów, zdefiniowane pod względem tego, co może przekroczyć ich granice:

Oddziaływania układów termodynamicznych

Typ systemu	Przepływ masy	Praca	Ciepło
otwarty	Y	Y	Y
Zamknięte	N	Y	Y
Izolowane termicznie	N	Y	N
Izolowane mechanicznie	N	N	Y
Odosobniony	N	N	N

W miarę upływu czasu w izolowanym systemie wewnętrzne różnice ciśnień, gęstości i temperatur mają tendencję do wyrównywania się. Mówimy, że układ, w którym wszystkie procesy wyrównywania dobiegły końca, znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej .

Po osiągnięciu równowagi termodynamicznej właściwości układu są z definicji niezmienne w czasie. Systemy w równowadze są znacznie prostsze i łatwiejsze do zrozumienia niż systemy, które nie są w równowadze. Często, analizując dynamiczny proces termodynamiczny, przyjmuje się upraszczające założenie, że każdy stan pośredni w procesie jest w równowadze, powodując procesy termodynamiczne, które rozwijają się tak wolno, że każdy etap pośredni może być stanem równowagi i mówi się, że są to procesy odwracalne .

Stany i procesy

Kiedy układ jest w równowadze w danych warunkach, mówi się, że znajduje się w określonym stanie termodynamicznym . Stan systemu można opisać szeregiem wielkości stanu , które nie zależą od procesu, w wyniku którego system osiągnął swój stan. Nazywa się je zmiennymi intensywnymi lub zmiennymi ekstensywnymi w zależności od tego, jak zmieniają się, gdy zmienia się rozmiar systemu. Właściwości układu można opisać równaniem stanu który określa związek między tymi zmiennymi. O stanie można myśleć jako o natychmiastowym ilościowym opisie systemu z ustaloną liczbą zmiennych, które są stałe.

Proces termodynamiczny można zdefiniować jako energetyczną ewolucję układu termodynamicznego przechodzącą od stanu początkowego do stanu końcowego. Można to opisać wielkościami procesowymi . Zazwyczaj każdy proces termodynamiczny różni się od innych procesów o charakterze energetycznym na podstawie tego, jakie parametry, takie jak temperatura, ciśnienie lub objętość itp., Są utrzymywane na stałym poziomie; Ponadto przydatne jest grupowanie tych procesów w pary, w których każda zmienna utrzymywana na stałym poziomie jest jednym członkiem pary sprzężonej .

Kilka powszechnie badanych procesów termodynamicznych to:

• Proces adiabatyczny : zachodzi bez utraty lub zysku energii na ciepło
• Proces izentalpiczny : zachodzi przy stałej entalpii
• Proces izentropowy : odwracalny proces adiabatyczny, zachodzi przy stałej entropii
• Proces izobaryczny : zachodzi przy stałym ciśnieniu
• Proces izochoryczny : zachodzi przy stałej objętości (zwany także izometrycznym / izowolumetrycznym)
• Proces izotermiczny : zachodzi w stałej temperaturze
• Proces w stanie ustalonym : zachodzi bez zmiany energii wewnętrznej

Oprzyrządowanie

Istnieją dwa rodzaje instrumentów termodynamicznych , miernik i zbiornik. Miernik termodynamiczny to dowolne urządzenie, które mierzy dowolny parametr układu termodynamicznego . W niektórych przypadkach parametr termodynamiczny jest faktycznie definiowany za pomocą wyidealizowanego przyrządu pomiarowego. Na przykład prawo zera mówi, że jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z trzecim ciałem, to są one również w równowadze termicznej między sobą. Zasada ta, jak zauważył James Maxwell w 1872 r., stwierdza, że ​​możliwy jest pomiar temperatury. Wyidealizowany termometr jest próbką gazu doskonałego pod stałym ciśnieniem. Z równania gazu doskonałego pV=nRT , objętość takiej próbki może służyć jako wskaźnik temperatury; w ten sposób określa temperaturę. Chociaż ciśnienie jest definiowane mechanicznie, urządzenie do pomiaru ciśnienia, zwane barometrem, można również zbudować z próbki gazu doskonałego utrzymywanej w stałej temperaturze. Kalorymetr definiowania energii wewnętrznej układu.

Zbiornik termodynamiczny to układ, który jest tak duży, że jego parametry stanu nie ulegają zauważalnym zmianom, gdy wchodzi w kontakt z układem będącym przedmiotem zainteresowania. Gdy zbiornik styka się z układem, układ zostaje doprowadzony do równowagi ze zbiornikiem. Na przykład zbiornik ciśnieniowy to układ o określonym ciśnieniu, który wywiera to ciśnienie na układ, z którym jest mechanicznie połączony. Atmosfera ziemska jest często wykorzystywana jako rezerwuar ciśnienia. Ocean może działać jako rezerwuar temperatury, gdy jest używany do chłodzenia elektrowni.

Zmienne sprzężone

Główny artykuł: Zmienne sprzężone

Centralnym pojęciem termodynamiki jest energia , czyli zdolność do wykonania pracy . Zgodnie z pierwszym prawem całkowita energia układu i jego otoczenia jest zachowana. Energia może być przenoszona do systemu przez ogrzewanie, sprężanie lub dodawanie materii i wydobywana z systemu przez chłodzenie, rozprężanie lub ekstrakcję materii. w mechanice transfer energii jest równy iloczynowi siły przyłożonej do ciała i wynikającego z tego przemieszczenia.

Zmienne sprzężone to pary pojęć termodynamicznych, z których pierwsza jest podobna do „siły” przyłożonej do jakiegoś układu termodynamicznego , druga jest podobna do wynikowego „przemieszczenia”, a iloczyn tych dwóch jest równy ilości przeniesionej energii. Typowe zmienne sprzężone to:

• Ciśnienie - objętość ( parametry mechaniczne );
• Temperatura - entropia (parametry termiczne);
• Potencjał chemiczny - liczba cząstek (parametry materiału).

Potencjały

Potencjały termodynamiczne to różne ilościowe miary energii zmagazynowanej w systemie. Potencjały służą do pomiaru zmian energii w systemach, gdy ewoluują one ze stanu początkowego do stanu końcowego. Wykorzystany potencjał zależy od ograniczeń systemu, takich jak stała temperatura lub ciśnienie. Na przykład energie Helmholtza i Gibbsa to energie dostępne w systemie do wykonania użytecznej pracy, gdy odpowiednio temperatura i objętość lub ciśnienie i temperatura są stałe.

Pięć najbardziej znanych potencjałów to:

Nazwa	Symbol	Formuła	Zmienne naturalne
Energia wewnętrzna	${\ displaystyle U}$	${\ Displaystyle \ int \ lewo (T \ \ operatorname {d} Sp \ \ operatorname {d} V + \ suma _ {i} \ mu _{i}\mathrm {d} N_{i}\right)}$	${\ Displaystyle S, V, \ {N_ {i} \}}$
Energia swobodna Helmholtza	${\ displaystyle F}$	${\ Displaystyle U-TS}$	${\ Displaystyle T, V, \ {N_ {i} \}}$
Entalpia	${\ displaystyle H.}$	${\ displaystyle U + pV}$	${\ Displaystyle S, p, \ {N_ {i} \}}$
Energia swobodna Gibbsa	${\ Displaystyle G}$	${\ Displaystyle U + pV-TS}$	${\ Displaystyle T, p, \ {N_ {i} \}}$
Potencjał Landaua lub wielki potencjał	${\ Displaystyle \ Omega}$ , ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {G}}}$	${\ Displaystyle U-TS-}$${\ Displaystyle \ suma _ {i} \,}$${\ Displaystyle \ mu _ {i} N_ {i}}$	${\ Displaystyle T, V, \ {\ mu _ {i} \}}$

gdzie jest $,$ entropia , $,$$,$ , potencjał chemiczny $T$ { \ displaystyle } _ _ $_$ _ _ _ $displaystyle N}$$\$ liczba cząstek w układzie i liczba typów cząstek w układzie.

Potencjały termodynamiczne można wyprowadzić z równania bilansu energetycznego zastosowanego do układu termodynamicznego. Inne potencjały termodynamiczne można również uzyskać poprzez transformację Legendre'a .

Termodynamika aksjomatyczna

Termodynamika aksjomatyczna to dyscyplina matematyczna , której celem jest opisanie termodynamiki za pomocą rygorystycznych aksjomatów , na przykład poprzez znalezienie matematycznie rygorystycznego sposobu wyrażenia znanych praw termodynamiki .

Pierwszą próbą aksjomatycznej teorii termodynamiki była praca Constantina Carathéodory'ego z 1909 r. Investigations on the Foundations of Thermodynamics , w której wykorzystano systemy Pfaffa i koncepcję dostępności adiabatycznej , pojęcie wprowadzone przez samego Carathéodory'ego. W tym sformułowaniu pojęcia termodynamiczne, takie jak ciepło , entropia i temperatura są wyprowadzane z wielkości, które są bardziej bezpośrednio mierzalne. Teorie, które pojawiły się później, różniły się tym, że przyjmowały założenia dotyczące procesów termodynamicznych z dowolnymi stanami początkowymi i końcowymi, w przeciwieństwie do rozważania tylko stanów sąsiednich.

Zastosowane pola

• Termodynamika atmosfery
• Termodynamika biologiczna
• Termodynamika czarnej dziury
• Termodynamika chemiczna
• Termodynamika klasyczna
• Termodynamika równowagi
• Ekologia przemysłowa (re: egzergia )
• Termodynamika maksymalnej entropii
• Termodynamika nierównowagowa
• Filozofia fizyki cieplnej i statystycznej
• Psychometria
• Termodynamika kwantowa
• Termodynamika statystyczna , czyli mechanika statystyczna
• termoekonomia
• Chemia polimerów
• Termodynamika energii odnawialnej

Zobacz też

• Ścieżka procesu termodynamicznego

Listy i terminy

• Lista ważnych publikacji z termodynamiki
• Lista podręczników termodynamiki i mechaniki statystycznej
• Lista przewodności cieplnych
• Lista właściwości termodynamicznych
• Tabela równań termodynamicznych
• Kalendarium termodynamiki
• Równania termodynamiczne

Dalsza lektura

•    Goldstein, Martin i Inge F. (1993). Lodówka i wszechświat . Wydawnictwo Uniwersytetu Harvarda. ISBN 978-0-674-75325-9 . OCLC 32826343 . Nietechniczne wprowadzenie, dobre w kwestiach historycznych i interpretacyjnych.
•     Kazakow, Andriej; Muzny, Chris D.; Chirico, Robert D.; Diky, Włodzimierz V.; Frenkel, Michael (2008). „Web Thermo Tables - wersja on-line tabel termodynamicznych TRC” . Journal of Research Narodowego Instytutu Standardów i Technologii . 113 (4): 209–220. doi : 10.6028/jres.113.016 . ISSN 1044-677X . PMC 4651616 . PMID 27096122 .
• Gibbs JW (1928). Dzieła zebrane J. Willarda Gibbsa Termodynamika . Nowy Jork: Longmans, Green and Co. Cz. 1, s. 55–349.
• Guggenheima EA (1933). Współczesna termodynamika metodami Willarda Gibbsa . Londyn: Methuen & co. Sp. z o.o.
• Denbigh K. (1981). Zasady równowagi chemicznej: z zastosowaniami w chemii i inżynierii chemicznej . Londyn: Cambridge University Press.
• Stull, DR, Westrum Jr., EF i Sinke, GC (1969). Termodynamika chemiczna związków organicznych . Londyn: John Wiley and Sons, Inc. {{ cite book }} : CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
•   Bazarow IP (2010). Termodynamika: Podręcznik . Petersburg: Wydawnictwo Lan. P. 384. ISBN 978-5-8114-1003-3 . wyd. 5. (po rosyjsku)
• Bawendi Moungi G., Alberty Robert A. i Silbey Robert J. (2004). Chemia fizyczna . J. Wiley & Sons, Incorporated.
• Alberty Robert A. (2003). Termodynamika reakcji biochemicznych . Wiley-Interscience.
•    Alberty Robert A. (2006). Termodynamika biochemiczna: zastosowania Mathematica . Metody analizy biochemicznej . Tom. 48. John Wiley & Sons, Inc., s. 1–458. ISBN 978-0-471-75798-6 . PMID 16878778 .
•   Koper Ken A., Bromberg Sarina (2011). Siły napędowe molekularne: termodynamika statystyczna w biologii, chemii, fizyce i nanonauce . Nauka girlandy. ISBN 978-0-8153-4430-8 .
•   Scott Shell (2015). Termodynamika i mechanika statystyczna: podejście zintegrowane . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. ISBN 978-1107656789 .
•   Douglasa E. Barricka (2018). Termodynamika biomolekularna: od teorii do zastosowań . Prasa CRC. ISBN 978-1-4398-0019-5 .

Następujące tytuły są bardziej techniczne:

•   Bejan, Adrian (2016). Zaawansowana inżynieria termodynamiki (4 wyd.). Wileya. ISBN 978-1-119-05209-8 .
•    Cengel, Yunus A. i Boles, Michael A. (2002). Termodynamika - podejście inżynierskie . Wzgórze McGrawa. ISBN 978-0-07-238332-4 . OCLC 45791449 . {{ cite book }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
•    Dunning-Davies, Jeremy (1997). Zwięzła termodynamika: zasady i zastosowania . Wydawnictwo Horwood. ISBN 978-1-8985-6315-0 . OCLC 36025958 .
•    Kroemer, Herbert & Kittel, Charles (1980). Fizyka termiczna . Firma WH Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2 . OCLC 32932988 .

Linki zewnętrzne

• Media związane z termodynamiką w Wikimedia Commons

• Kalendarz, Hugh Longbourne (1911). „Termodynamika” . Encyklopedia Britannica . Tom. 26 (wyd. 11). s. 808–814.
• Witryny internetowe z danymi termodynamicznymi i obliczeniami właściwości
• Witryny edukacyjne dotyczące termodynamiki
• Biochemia Termodynamika
• Termodynamika i mechanika statystyczna
• Termodynamika inżynierska - podejście graficzne
• Termodynamika i mechanika statystyczna autorstwa Richarda Fitzpatricka