Fyysikoilla ja muiden tieteiden edustajilla oli pitkään tapa kuvata, mitä he havaitsevat kokeidensa aikana. Yhteisymmärryksen puute ja suuri määrä "sinisistä" poimittuja termejä johti hämmennykseen ja väärinkäsityksiin kollegoiden keskuudessa. Ajan myötä jokainen fysiikan haara sai vakiintuneet määritelmänsä ja mittayksikkönsä. Näin ilmaantuivat termodynaamiset parametrit, jotka selittävät suurimman osan järjestelmän makroskooppisista muutoksista.
Määritelmä
Tilaparametrit tai termodynaamiset parametrit ovat joukko fysikaalisia suureita, jotka yhdessä ja kukin erikseen voivat karakterisoida havaittua järjestelmää. Näitä ovat käsitteet, kuten:
- lämpötila ja paine;
- keskittyminen, magneettinen induktio;
- entropia;
- entalpia;
- Gibbsin ja Helmholtzin energiat ja monet muut.
Valitse intensiiviset ja laajat parametrit. Laajat ovat ne, jotka ovat suoraan riippuvaisia termodynaamisen järjestelmän massasta, jaintensiiviset - jotka määritetään muilla kriteereillä. Kaikki parametrit eivät ole yhtä riippumattomia, joten järjestelmän tasapainotilan laskemiseksi on tarpeen määrittää useita parametreja kerralla.
Lisäksi fyysikkojen välillä on joitain terminologisia erimielisyyksiä. Eri tekijät voivat kutsua samaa fyysistä ominaisuutta joko prosessiksi tai koordinaatiksi, suureksi tai parametriksi tai jopa vain ominaisuudeksi. Kaikki riippuu sisällöstä, jossa tiedemies sitä käyttää. Mutta joissakin tapauksissa on olemassa standardoituja suosituksia, joita asiakirjojen, oppikirjojen tai tilausten laatijien on noudatettava.
Luokittelu
Termodynaamisille parametreille on useita luokituksia. Joten ensimmäisen kappaleen perusteella on jo tiedossa, että kaikki suuret voidaan jakaa:
- laajuinen (lisäaine) - tällaiset aineet noudattavat lisäyslakia, eli niiden arvo riippuu ainesosien lukumäärästä;
- intensiivinen - ne eivät riipu siitä, kuinka paljon ainetta reaktioon otettiin, koska ne ovat kohdakkain vuorovaikutuksen aikana.
Perustuu olosuhteisiin, joissa järjestelmän muodostavat aineet sijaitsevat, suuret voidaan jakaa faasireaktioita ja kemiallisia reaktioita kuvaaviin määriin. Lisäksi on otettava huomioon lähtöaineiden ominaisuudet. Ne voivat olla:
- termomekaaninen;
- termofyysinen;
- lämpökemiallinen.
Tämän lisäksi mikä tahansa termodynaaminen järjestelmä suorittaa tietyn toiminnon, joten parametrit voivatluonnehtia reaktion tuloksena syntyvää työtä tai lämpöä ja antaa myös mahdollisuuden laskea hiukkasten massan siirtämiseen tarvittavan energian.
Tilamuuttujat
Jokaisen järjestelmän tila, mukaan lukien termodynaaminen, voidaan määrittää sen ominaisuuksien tai ominaisuuksien yhdistelmällä. Kaikkia muuttujia, jotka määritetään täysin vain tietyllä ajanhetkellä ja jotka eivät riipu siitä, kuinka järjestelmä tarkalleen joutui tähän tilaan, kutsutaan termodynaamiksi tilaparametreiksi (muuttujiksi) tai tilafunktioiksi.
Järjestelmän katsotaan olevan paikallaan, jos muuttujan toiminnot eivät muutu ajan myötä. Yksi vakaan tilan versio on termodynaaminen tasapaino. Mikä tahansa, jopa pieninkin muutos järjestelmässä, on jo prosessi, ja se voi sisältää yhdestä useampaan muuttuvaan termodynaamiseen tilaparametriin. Järjestystä, jossa järjestelmän tilat siirtyvät jatkuvasti toisiinsa, kutsutaan "prosessipoluksi".
Valitettavasti termien kanssa on edelleen sekaannusta, koska sama muuttuja voi olla sekä riippumaton että useiden järjestelmätoimintojen lisäämisen tulos. Siksi sellaisia termejä kuin "tilafunktio", "tilaparametri", "tilamuuttuja" voidaan pitää synonyymeinä.
Lämpötila
Yksi termodynaamisen järjestelmän tilan riippumattomista parametreista on lämpötila. Se on arvo, joka kuvaa kineettisen energian määrää hiukkasyksikköä kohtitermodynaaminen järjestelmä tasapainossa.
Jos lähestytään käsitteen määritelmää termodynamiikan näkökulmasta, niin lämpötila on arvo, joka on kääntäen verrannollinen entropian muutokseen sen jälkeen, kun järjestelmään on lisätty lämpöä (energiaa). Kun järjestelmä on tasapainossa, lämpötila-arvo on sama kaikille sen "osallistujille". Jos lämpötilaero on, niin lämpö luovuttaa energiaa kuumemmasta kappaleesta ja absorboi kylmempää.
On termodynaamisia järjestelmiä, joissa kun energiaa lisätään, häiriö (entropia) ei kasva, vaan pikemminkin pienenee. Lisäksi, jos tällainen järjestelmä on vuorovaikutuksessa kappaleen kanssa, jonka lämpötila on korkeampi kuin sen oma, se luovuttaa kineettisen energiansa tälle kappaleelle, eikä päinvastoin (termodynamiikan lakien perusteella).
Paine
Paine on suure, joka kuvaa kappaleeseen kohdistuvaa voimaa kohtisuorassa sen pintaan nähden. Tämän parametrin laskemiseksi on tarpeen jakaa koko voiman määrä kohteen pinta-alalla. Tämän voiman yksiköt ovat pascals.
Termodynaamisten parametrien tapauksessa kaasu vie koko sen käytettävissä olevan tilavuuden, ja lisäksi sen muodostavat molekyylit liikkuvat jatkuvasti satunnaisesti ja törmäävät toisiinsa ja astiaan, jossa ne sijaitsevat. Juuri nämä vaikutukset määräävät aineen paineen astian seinämiin tai kaasuun sijoitettuun kehoon. Voima leviää tasaisesti kaikkiin suuntiin juuri arvaamattoman takiamolekyyliliikkeet. Paineen lisäämiseksi sinun on nostettava järjestelmän lämpötilaa ja päinvastoin.
Sisäinen energia
Tärkeimmät termodynaamiset parametrit, jotka riippuvat järjestelmän massasta, sisältävät sisäenergian. Se koostuu kineettisestä energiasta, joka johtuu aineen molekyylien liikkeestä, sekä potentiaalienergiasta, joka ilmenee, kun molekyylit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
Tämä parametri on yksiselitteinen. Eli sisäisen energian arvo on vakio aina, kun järjestelmä on halutussa tilassa, riippumatta siitä, millä tavalla se (tila) saavutettiin.
Sisäistä energiaa on mahdotonta muuttaa. Se on järjestelmän luovuttaman lämmön ja sen tuottaman työn summa. Joissakin prosesseissa otetaan huomioon muut parametrit, kuten lämpötila, entropia, paine, potentiaali ja molekyylien lukumäärä.
Entropia
Termodynamiikan toinen pääsääntö sanoo, että eristetyn järjestelmän entropia ei pienene. Toinen muotoilu olettaa, että energia ei koskaan siirry alhaisemman lämpötilan kehosta kuumempaan. Tämä puolestaan estää ikuisen liikekoneen luomisen, koska on mahdotonta siirtää kaikkea kehon käytettävissä olevaa energiaa työhön.
Entropian käsite otettiin käyttöön 1800-luvun puolivälissä. Sitten se nähtiin lämmön määrän muutoksena järjestelmän lämpötilaan. Mutta tämä määritelmä koskee vainprosessit, jotka ovat jatkuvasti tasapainossa. Tästä voimme tehdä seuraavan johtopäätöksen: jos järjestelmän muodostavien kappaleiden lämpötila pyrkii nollaan, niin entropia on myös nolla.
Entropiaa kaasutilan termodynaamisena parametrina käytetään indikaattorina satunnaisuuden, hiukkasten liikkeen satunnaisuuden mittana. Sitä käytetään määrittämään molekyylien jakautuminen tietyllä alueella ja suonessa tai laskemaan sähkömagneettinen vuorovaikutusvoima aineen ionien välillä.
Entalpia
Entalpia on energiaa, joka voidaan muuntaa lämmöksi (tai työksi) vakiopaineessa. Tämä on tasapainossa olevan järjestelmän potentiaali, jos tutkija tietää entropiatason, molekyylien lukumäärän ja paineen.
Jos ideaalisen kaasun termodynaaminen parametri ilmoitetaan, entalpian sijaan käytetään sanamuotoa "laajennetun järjestelmän energia". Tämän arvon selittämisen helpottamiseksi itsellemme voidaan kuvitella kaasulla täytetty astia, jota mäntä puristaa tasaisesti (esimerkiksi polttomoottori). Tässä tapauksessa entalpia ei ole yhtä suuri kuin aineen sisäinen energia, vaan myös työ, joka on tehtävä järjestelmän saattamiseksi vaadittuun tilaan. Tämän parametrin muuttaminen riippuu vain järjestelmän alku- ja lopputilasta, ja tavalla, jolla se vastaanotetaan, ei ole väliä.
Gibbs Energy
Termodynaamiset parametrit ja prosessit liittyvät suurimmaksi osaksi järjestelmän muodostavien aineiden energiapotentiaaliin. Siten Gibbsin energia vastaa järjestelmän kokonaiskemiallista energiaa. Se näyttää, mitä muutoksia tapahtuu kemiallisten reaktioiden aikana ja ovatko aineet vuorovaikutuksessa ollenkaan.
Järjestelmän energiamäärän ja lämpötilan muuttaminen reaktion aikana vaikuttaa sellaisiin käsitteisiin kuin entalpia ja entropia. Näiden kahden parametrin välistä eroa kutsutaan Gibbsin energiaksi tai isobaariseksi isotermiseksi potentiaaliksi.
Tämän energian minimiarvo havaitaan, jos järjestelmä on tasapainossa ja sen paine, lämpötila ja ainemäärä pysyvät muuttumattomina.
Helmholtz Energy
Helmholtzin energia (muiden lähteiden mukaan vain ilmaista energiaa) on potentiaalinen energiamäärä, jonka järjestelmä menettää vuorovaikutuksessa sellaisten kappaleiden kanssa, jotka eivät sisälly siihen.
Helmholtzin vapaan energian käsitettä käytetään usein määrittämään, mitä maksimityötä järjestelmä voi tehdä, eli kuinka paljon lämpöä vapautuu, kun aineet muuttuvat tilasta toiseen.
Jos järjestelmä on termodynaamisen tasapainon tilassa (eli se ei tee mitään), vapaan energian taso on minimissä. Tämä tarkoittaa, että muiden parametrien, kuten lämpötilan, muuttaminenpainetta, hiukkasten lukumäärää ei myöskään esiinny.
