Przez długi czas fizycy i przedstawiciele innych nauk mieli sposób na opisanie tego, co obserwowali w trakcie swoich eksperymentów. Brak konsensusu i obecność dużej liczby terminów wziętych „niespodziewanie” doprowadziły do zamieszania i nieporozumień wśród kolegów. Z biegiem czasu każda gałąź fizyki zyskała swoje ustalone definicje i jednostki miary. W ten sposób pojawiły się parametry termodynamiczne, wyjaśniające większość makroskopowych zmian w układzie.
Definicja
Parametry stanu lub parametry termodynamiczne to szereg wielkości fizycznych, które razem i każda z osobna mogą charakteryzować obserwowany układ. Należą do nich pojęcia takie jak:
- temperatura i ciśnienie;
- koncentracja, indukcja magnetyczna;
- entropia;
- entalpia;
- Energie Gibbsa i Helmholtza i wiele innych.
Wybierz parametry intensywne i rozbudowane. Rozległe to te, które są bezpośrednio zależne od masy układu termodynamicznego, orazintensywne - które określają inne kryteria. Nie wszystkie parametry są jednakowo niezależne, dlatego w celu obliczenia stanu równowagi układu konieczne jest określenie kilku parametrów jednocześnie.
Ponadto istnieją pewne różnice terminologiczne wśród fizyków. Ta sama cecha fizyczna może być nazywana przez różnych autorów procesem, współrzędną, wielkością, parametrem, a nawet po prostu właściwością. Wszystko zależy od treści, w jakich naukowiec z niej korzysta. Jednak w niektórych przypadkach istnieją standardowe zalecenia, których muszą przestrzegać autorzy dokumentów, podręczników lub zamówień.
Klasyfikacja
Istnieje kilka klasyfikacji parametrów termodynamicznych. Tak więc na podstawie pierwszego akapitu wiadomo już, że wszystkie wielkości można podzielić na:
- ekstensywny (dodatek) - takie substancje przestrzegają prawa dodawania, czyli ich wartość zależy od ilości składników;
- intensywne - nie zależą od tego, ile substancji pobrano do reakcji, ponieważ są one wyrównane podczas interakcji.
Na podstawie warunków, w jakich znajdują się substancje tworzące system, ilości można podzielić na te, które opisują reakcje fazowe i reakcje chemiczne. Ponadto należy wziąć pod uwagę właściwości reagentów. Mogą to być:
- termomechaniczny;
- termofizyczne;
- termochemiczny.
Poza tym każdy system termodynamiczny spełnia określoną funkcję, więc parametry mogąscharakteryzować pracę lub ciepło powstałe w wyniku reakcji, a także pozwalają obliczyć energię potrzebną do przeniesienia masy cząstek.
Zmienne stanu
Stan dowolnego systemu, w tym termodynamicznego, można określić przez kombinację jego właściwości lub cech. Wszystkie zmienne, które są całkowicie określone tylko w określonym momencie i nie zależą od tego, w jaki sposób układ doszedł do tego stanu, nazywane są parametrami stanu termodynamicznego (zmiennymi) lub funkcjami stanu.
System jest uważany za nieruchomy, jeśli funkcje zmiennych nie zmieniają się w czasie. Jedną z wersji stanu ustalonego jest równowaga termodynamiczna. Każda, nawet najmniejsza zmiana w układzie jest już procesem i może zawierać od jednego do kilku zmiennych parametrów stanu termodynamicznego. Sekwencja, w której stany systemu w sposób ciągły przechodzą w siebie, nazywana jest „ścieżką procesu”.
Niestety, nadal jest zamieszanie z pojęciami, ponieważ ta sama zmienna może być zarówno niezależna, jak i być wynikiem dodania kilku funkcji systemowych. Dlatego terminy takie jak „funkcja stanu”, „parametr stanu”, „zmienna stanu” mogą być traktowane jako synonimy.
Temperatura
Jednym z niezależnych parametrów stanu układu termodynamicznego jest temperatura. Jest to wartość charakteryzująca ilość energii kinetycznej na jednostkę cząstek wukład termodynamiczny w równowadze.
Jeśli podejdziemy do definicji pojęcia z punktu widzenia termodynamiki, to temperatura jest wartością odwrotnie proporcjonalną do zmiany entropii po dodaniu ciepła (energii) do układu. Gdy system jest w równowadze, wartość temperatury jest taka sama dla wszystkich jego „uczestników”. Jeśli istnieje różnica temperatur, energia jest wydzielana przez cieplejsze ciało i pochłaniana przez zimniejsze.
Istnieją systemy termodynamiczne, w których po dodaniu energii nieporządek (entropia) nie wzrasta, ale raczej maleje. Ponadto, jeśli taki układ oddziałuje z ciałem, którego temperatura jest wyższa niż jego własna, to oddaje swoją energię kinetyczną temu ciału, a nie odwrotnie (w oparciu o prawa termodynamiki).
Ciśnienie
Ciśnienie to wielkość charakteryzująca siłę działającą na ciało prostopadle do jego powierzchni. Aby obliczyć ten parametr, konieczne jest podzielenie całej siły przez powierzchnię obiektu. Jednostkami tej siły będą paskale.
W przypadku parametrów termodynamicznych gaz zajmuje całą dostępną mu objętość, a dodatkowo tworzące go cząsteczki nieustannie poruszają się losowo i zderzają się ze sobą oraz z naczyniem, w którym się znajdują. To właśnie te uderzenia determinują ciśnienie substancji na ściankach naczynia lub na ciele umieszczonym w gazie. Siła rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach właśnie z powodu nieprzewidywalnegoruchy molekularne. Aby zwiększyć ciśnienie, musisz zwiększyć temperaturę systemu i odwrotnie.
Energia wewnętrzna
Główne parametry termodynamiczne, które zależą od masy układu, obejmują energię wewnętrzną. Składa się z energii kinetycznej wynikającej z ruchu cząsteczek substancji, a także z energii potencjalnej, która pojawia się, gdy cząsteczki wchodzą ze sobą w interakcje.
Ten parametr jest jednoznaczny. Oznacza to, że wartość energii wewnętrznej jest stała zawsze, gdy system znajduje się w pożądanym stanie, niezależnie od tego, w jaki sposób (stan) został osiągnięty.
Nie można zmienić energii wewnętrznej. Jest to suma ciepła oddanego przez system i wykonanej przez niego pracy. W przypadku niektórych procesów brane są pod uwagę inne parametry, takie jak temperatura, entropia, ciśnienie, potencjał i liczba cząsteczek.
Entropia
Druga zasada termodynamiki mówi, że entropia systemu izolowanego nie maleje. Inne sformułowanie postuluje, że energia nigdy nie przechodzi z ciała o niższej temperaturze do gorętszego. To z kolei zaprzecza możliwości stworzenia perpetuum mobile, ponieważ niemożliwe jest przeniesienie całej dostępnej organizmowi energii na pracę.
Sama koncepcja „entropii” została wprowadzona do użytku w połowie XIX wieku. Wtedy postrzegano to jako zmianę ilości ciepła w stosunku do temperatury układu. Ale ta definicja dotyczy tylkoprocesy, które są stale w równowadze. Z tego możemy wyciągnąć następujący wniosek: jeśli temperatura ciał tworzących układ dąży do zera, to entropia również będzie równa zeru.
Entropia jako parametr termodynamiczny stanu gazowego służy jako wskazanie miary losowości, losowości ruchu cząstek. Służy do określania rozkładu cząsteczek w określonym obszarze i naczyniu lub do obliczania siły elektromagnetycznej interakcji między jonami substancji.
Entalpia
Entalpia to energia, którą można przekształcić w ciepło (lub pracę) przy stałym ciśnieniu. Jest to potencjał układu, który jest w równowadze, jeśli badacz zna poziom entropii, liczbę cząsteczek i ciśnienie.
Jeśli wskazany jest parametr termodynamiczny gazu doskonałego, zamiast entalpii używa się sformułowania „energia układu rozszerzonego”. Aby ułatwić sobie wytłumaczenie tej wartości, możemy sobie wyobrazić naczynie wypełnione gazem, który jest równomiernie sprężany przez tłok (np. silnik spalinowy). W takim przypadku entalpia będzie równa nie tylko energii wewnętrznej substancji, ale także pracy, którą należy wykonać, aby doprowadzić układ do wymaganego stanu. Zmiana tego parametru zależy tylko od początkowego i końcowego stanu systemu, a sposób, w jaki zostanie on odebrany, nie ma znaczenia.
Energia Gibbsa
Parametry i procesy termodynamiczne są w większości związane z potencjałem energetycznym substancji tworzących system. Tak więc energia Gibbsa jest ekwiwalentem całkowitej energii chemicznej układu. Pokazuje, jakie zmiany zajdą w trakcie reakcji chemicznych i czy substancje w ogóle będą oddziaływać.
Zmiana ilości energii i temperatury układu w trakcie reakcji wpływa na takie pojęcia jak entalpia i entropia. Różnica między tymi dwoma parametrami będzie nazywana energią Gibbsa lub potencjałem izobaryczno-izotermicznym.
Minimalna wartość tej energii jest obserwowana, jeśli system jest w równowadze, a jego ciśnienie, temperatura i ilość materii pozostają niezmienione.
Energia Helmholtza
Energia Helmholtza (według innych źródeł - po prostu energia swobodna) to potencjalna ilość energii, która zostanie utracona przez system podczas interakcji z ciałami, które nie są w nim zawarte.
Koncepcja energii swobodnej Helmholtza jest często używana do określenia maksymalnej pracy, jaką może wykonać system, to znaczy ile ciepła jest uwalniane, gdy substancje zmieniają się z jednego stanu w inny.
Jeżeli układ znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej (czyli nie wykonuje żadnej pracy), to poziom energii swobodnej jest minimalny. Oznacza to, że zmiana innych parametrów, takich jak temperatura,ciśnienie, liczba cząstek również nie występuje.
