Dugo su vremena fizičari i predstavnici drugih znanosti imali način da opisuju ono što promatraju tijekom svojih eksperimenata. Nedostatak konsenzusa i prisutnost velikog broja pojmova uzetih "iz vedra neba" doveli su do zabune i nesporazuma među kolegama. S vremenom je svaka grana fizike dobila svoje ustaljene definicije i mjerne jedinice. Tako su se pojavili termodinamički parametri koji objašnjavaju većinu makroskopskih promjena u sustavu.
Definicija
Parametri stanja, ili termodinamički parametri, brojni su fizikalne veličine koje zajedno i svaka zasebno mogu karakterizirati promatrani sustav. To uključuje koncepte kao što su:
- temperatura i tlak;
- koncentracija, magnetska indukcija;
- entropija;
- enthalpy;
- Gibbsove i Helmholtzove energije i mnoge druge.
Odaberite intenzivne i opsežne parametre. Ekstenzivne su one koje izravno ovise o masi termodinamičkog sustava, iintenzivni – koji su određeni drugim kriterijima. Nisu svi parametri jednako neovisni, stoga je za izračunavanje ravnotežnog stanja sustava potrebno odrediti nekoliko parametara odjednom.
Osim toga, među fizičarima postoje neka terminološka neslaganja. Istu fizičku karakteristiku različiti autori mogu nazvati ili procesom, ili koordinatom, ili količinom, ili parametrom, ili čak samo svojstvom. Sve ovisi o sadržaju u kojem ga znanstvenik koristi. Ali u nekim slučajevima postoje standardizirane preporuke kojih se izrađivači dokumenata, udžbenika ili naredbi moraju pridržavati.
Klasifikacija
Postoji nekoliko klasifikacija termodinamičkih parametara. Dakle, na temelju prvog stavka već je poznato da se sve količine mogu podijeliti na:
- extensive (aditiv) - takve tvari poštuju zakon adicije, odnosno njihova vrijednost ovisi o broju sastojaka;
- intenzivne - ne ovise o tome koliko je tvari uzeto za reakciju, budući da su usklađene tijekom interakcije.
Na temelju uvjeta pod kojima se nalaze tvari koje čine sustav, količine se mogu podijeliti na one koje opisuju fazne reakcije i kemijske reakcije. Osim toga, moraju se uzeti u obzir svojstva reaktanata. Mogu biti:
- termomehanički;
- termofizički;
- termokemikalija.
Osim toga, svaki termodinamički sustav obavlja određenu funkciju, tako da se parametri mogukarakterizira rad ili toplinu proizvedenu kao rezultat reakcije, a također vam omogućuje izračunavanje energije potrebne za prijenos mase čestica.
Varijable stanja
Stanje bilo kojeg sustava, uključujući termodinamički, može se odrediti kombinacijom njegovih svojstava ili karakteristika. Sve varijable koje su u potpunosti određene samo u određenom trenutku i ne ovise o tome kako je točno sustav došao u to stanje nazivaju se termodinamički parametri stanja (varijable) ili funkcije stanja.
Sustav se smatra stacionarnim ako se varijabilne funkcije ne mijenjaju tijekom vremena. Jedna verzija stabilnog stanja je termodinamička ravnoteža. Svaka, pa i najmanja promjena u sustavu, već je proces i može sadržavati od jednog do nekoliko promjenjivih parametara termodinamičkog stanja. Slijed u kojem stanja sustava kontinuirano prelaze jedno u drugo naziva se "put procesa".
Nažalost, još uvijek postoji zbrka s pojmovima, budući da ista varijabla može biti neovisna i rezultat dodavanja nekoliko funkcija sustava. Stoga se pojmovi kao što su "funkcija stanja", "parametar stanja", "varijabla stanja" mogu smatrati sinonimima.
temperatura
Jedan od nezavisnih parametara stanja termodinamičkog sustava je temperatura. To je vrijednost koja karakterizira količinu kinetičke energije po jedinici čestica utermodinamički sustav u ravnoteži.
Ako pristupimo definiciji pojma sa stajališta termodinamike, tada je temperatura vrijednost obrnuto proporcionalna promjeni entropije nakon dodavanja topline (energije) u sustav. Kada je sustav u ravnoteži, vrijednost temperature je ista za sve njegove "sudionike". Ako postoji temperaturna razlika, tada toplije tijelo odaje energiju i apsorbira je hladnije.
Postoje termodinamički sustavi u kojima kada se doda energija, nered (entropija) ne raste, nego se smanjuje. Osim toga, ako takav sustav stupi u interakciju s tijelom čija je temperatura viša od njegove vlastite, tada će on predati svoju kinetičku energiju ovom tijelu, a ne obrnuto (na temelju zakona termodinamike).
Pritisak
Tlak je veličina koja karakterizira silu koja djeluje na tijelo, okomito na njegovu površinu. Da biste izračunali ovaj parametar, potrebno je cijeli iznos sile podijeliti s površinom objekta. Jedinice ove sile bit će paskali.
U slučaju termodinamičkih parametara, plin zauzima cijeli volumen koji mu je dostupan, a osim toga, molekule koje ga čine neprestano se nasumično kreću i sudaraju se jedna s drugom i sa posudom u kojoj se nalaze. Upravo ti udari određuju pritisak tvari na stijenke posude ili na tijelo koje se nalazi u plinu. Sila se jednako širi u svim smjerovima upravo zbog nepredvidivogmolekularna kretanja. Da biste povećali tlak, morate povećati temperaturu sustava i obrnuto.
Unutarnja energija
Glavni termodinamički parametri koji ovise o masi sustava uključuju unutarnju energiju. Sastoji se od kinetičke energije zbog kretanja molekula tvari, kao i od potencijalne energije koja se pojavljuje kada molekule međusobno djeluju.
Ovaj parametar je nedvosmislen. Odnosno, vrijednost unutarnje energije je konstantna kad god je sustav u željenom stanju, bez obzira na to na koji način je (stanje) postignuto.
Nemoguće je promijeniti unutarnju energiju. To je zbroj topline koju sustav daje i rada koji on proizvodi. Za neke procese uzimaju se u obzir i drugi parametri, kao što su temperatura, entropija, tlak, potencijal i broj molekula.
Entropija
Drugi zakon termodinamike kaže da se entropija izoliranog sustava ne smanjuje. Druga formulacija postulira da energija nikada ne prelazi s tijela s nižom temperaturom na toplije. To, pak, negira mogućnost stvaranja vječnog motora, jer je nemoguće svu energiju dostupnu tijelu prenijeti u rad.
Sam koncept "entropije" uveden je u upotrebu sredinom 19. stoljeća. Tada je to percipirano kao promjena količine topline na temperaturu sustava. Ali ova se definicija odnosi samo naprocesi koji su stalno u ravnoteži. Iz ovoga možemo izvući sljedeći zaključak: ako temperatura tijela koja čine sustav teži nuli, tada će i entropija biti jednaka nuli.
Entropija kao termodinamički parametar plinovitog stanja koristi se kao pokazatelj mjere slučajnosti, slučajnosti gibanja čestica. Koristi se za određivanje raspodjele molekula u određenom području i posudi ili za izračunavanje elektromagnetske sile interakcije između iona tvari.
Enthalpija
Entalpija je energija koja se može pretvoriti u toplinu (ili rad) pri konstantnom tlaku. To je potencijal sustava koji je u ravnoteži ako istraživač zna razinu entropije, broj molekula i tlak.
Ako je naveden termodinamički parametar idealnog plina, umjesto entalpije, koristi se izraz "energija proširenog sustava". Kako bismo sebi lakše objasnili ovu vrijednost, možemo zamisliti posudu napunjenu plinom, koji je jednoliko komprimiran klipom (npr. motor s unutarnjim izgaranjem). U ovom slučaju, entalpija će biti jednaka ne samo unutarnjoj energiji tvari, već i radu koji se mora učiniti da se sustav dovede u traženo stanje. Promjena ovog parametra ovisi samo o početnom i konačnom stanju sustava, a način na koji će biti primljen nije bitan.
Gibbs Energy
Termodinamički parametri i procesi, najvećim dijelom, povezani su s energetskim potencijalom tvari koje čine sustav. Dakle, Gibbsova energija je ekvivalent ukupne kemijske energije sustava. Pokazuje koje će se promjene dogoditi tijekom kemijskih reakcija i hoće li tvari uopće stupati u interakciju.
Promjena količine energije i temperature sustava tijekom reakcije utječe na koncepte kao što su entalpija i entropija. Razlika između ova dva parametra će se zvati Gibbsova energija ili izobarično-izotermni potencijal.
Minimalna vrijednost ove energije promatra se ako je sustav u ravnoteži, a njegov tlak, temperatura i količina materije ostaju nepromijenjeni.
Helmholtzova energija
Helmholtzova energija (prema drugim izvorima - samo besplatna energija) je potencijalna količina energije koju će sustav izgubiti pri interakciji s tijelima koja nisu uključena u njega.
Koncept Helmholtzove slobodne energije često se koristi za određivanje maksimalnog rada koji sustav može izvesti, to jest, koliko se topline oslobađa kada se tvari mijenjaju iz jednog stanja u drugo.
Ako je sustav u stanju termodinamičke ravnoteže (to jest, ne radi nikakav rad), tada je razina slobodne energije na minimumu. To znači da promjena drugih parametara, kao što je temperatura,pritisak, broj čestica se također ne pojavljuje.
