Termodinamika

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje

Têrmodinámika (grško θερμη: therme - toplota + δυναμις: dynamis - sprememba, moč) je veja fizike, ki preučuje energijo, njeno pretvarjanje med različnimi oblikami, kot je toplota, in sposobnost opravljanja dela. Termodinamika se ukvarja z makroskopskimi sistemi z zelo veliko prostostnimi stopnjami.

Termodinamika sama je povsem fenomenološka znanost, ki se ne sprašuje ne po mehanizmu pojavov, niti po zgradbi snovi. Večino termodinamskih relacij pa je konec 19. stoletja statistična mehanika povezala z mehanskimi lastnostmi velikega števila delcev.

Termodinamika se ukvarja predvsem z ravnovesnimi stanji, prehodi med stanji, in vzroki za prehode. Veja termodinamike, ki obravnava neravnovesne pojave, je neravnovesna termodinamika.

Termodinamski sistemi[uredi | uredi kodo]

Pri termodinamski obravnavi miselno ločimo sistem od okolice. Glede na lastnosti takega sistema jih razvrstimo na več vrst:

  • Izoliran sistem je povsem izoliran od okolice in z njo ne more izmenjavati ne snovi, ne toplote. Približek za izoliran sistem je denimo Dewarjeva posoda (gre za idealizacijo, v resnici noben realni sistem ni povsem izoliran).
  • Zaprt sistem omejuje od okolice nepropustna pregrada, ki preprečuje izmenjavo snovi z okolico, sistem pa z okolico lahko izmenjuje toploto. Zgled za zaprt sistem je denimo topla greda.
  • Odprt sistem lahko izmenjuje z okolico tako snov kot toploto. Zgled za tak sistem je denimo živa celica.

Termodinamske spremenljivke[uredi | uredi kodo]

Ravnovesno stanje sistema v termodinamiki določimo z razmeroma majhnim številom podatkov, ki jim pravimo termodinamske spremenljivke. To so enolične funkcije stanja, torej količine, ki so enolično določene s stanjem termodinamskega sistema. Njihove spremembe so odvisne le od začetnega in končnega stanja sistema, ne pa od »poti« med stanjema, torej od vmesnih stanj.

Zgledi za termodinamske spremenljivke so temperatura, prostornina in tlak, ki povsem določajo stanje sistema z eno samo fazo.

Plinski zakoni[uredi | uredi kodo]

Zgodovinsko so nekatere termodinamske zveze najprej ugotovili pri plinih. Ti so namreč od vseh agregatnih stanj najpreprostejši. Vzamemo lahko, da med molekulami plina ne delujejo nobene sile razen izjemoma, kadar molekuli plina trčita. Molekule v plinu lahko nadalje obravnavamo kot točkasta telesa, tako da lahko zanemarimo delež, ki ga v prostoru, napolnjenem s plinom, zasedajo same molekule. Tak približek je znan kot idealni plin, ki navkljub vsem poenostavitvam razmeroma dobro opisuje razredčene pline.

 p_1 V_1 = p_2 V_2 \!\, ,
 \frac{T_1}{V_1} = \frac{T_2}{V_2} \!\, ,
 \frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \!\, .

Sintezo vseh treh zakonov predstavlja splošna plinska enačba

 pV = \frac{m}{M} RT \!\, .

Pri tem je m masa plina, M njegova molska masa, R pa splošna plinska konstanta.

Splošna plinska enačba razmeroma dobro opisuje stanje idealnega plina. Za opis realnih plinov pa je treba uporabiti katero od drugih enačb stanja, med katerimi je najbolj znana van der Waalsova enačba stanja.

Zakoni termodinamike[uredi | uredi kodo]

Glavni članek: zakoni termodinamike.

Zakone termodinamike lahko navadno izrazimo na več matematično enakovrednih načinov.

Ničti zakon termodinamike[uredi | uredi kodo]

Ničti zakon termodinamike so pravzaprav dodali kot zadnjega k ostalim trem. Definira tranzitivnost toplotnega ravnovesja:

Če je telo A v toplotnem ravnovesju s telesom B in je telo B v toplotnem ravnovesju s telesom C, je tudi telo A v toplotnem ravnovesju s telesom C.

Ničti zakon termodinamike omogoča vpeljavo temperature kot količine, ki ima enako vrednost pri vseh telesih v toplotnem ravnovesju.

Prvi zakon termodinamike[uredi | uredi kodo]

Prvi zakon termodinamike je znan tudi kot energijski zakon.

Sprememba polne energije sistema je enaka vsoti dovedenega dela in dovedene toplote.

Drugi zakon termodinamike[uredi | uredi kodo]

Drugi zakon termodinamike ali entropijski zakon je bil pravzaprav odkrit prvi. Znanih je več različnih formulacij tega zakona:

Tretji zakon termodinamike[uredi | uredi kodo]

Tretji zakon termodinamike je znan tudi kot Nernstov zakon ali zakon o nedosegljivosti absolutne ničle.

Sistema ni mogoče v končnem številu korakov ohladiti do absolutne ničle.

Specifična toplota[uredi | uredi kodo]

Eno od vprašanj, ki si jih lahko zastavimo, je, koliko toplote moramo dovesti, da zvišamo temperaturo neke količine dane snovi za določeno število kelvinov. Toploti, potrebni, da kilogram snovi segrejemo za en kelvin, pravimo specifična toplota snovi. V splošnem je odvisna od vrste snovi.

Če dovajamo toploto pri stalni prostornini, je sprememba notranje energije kar premo sorazmerna spremembi temperature. Ker je prostornina stalna, telo ne opravlja dela pri raztezanju, zato je sprememba notranje energije kar enaka dovedeni toploti. Pri homogenih telesih je dovedena toplota tudi premo sorazmerna masi snovi, zato lahko zapišemo:

 dW_n = m\, c_V\, dT \!\, .

Sorazmernostni koeficient cV imenujemo specifična toplota pri stalni prostornini.

Če dovajamo toploto pri stalnem tlaku, pa moramo upoštevati, da se snov pri segrevanju razteza in pri tem ob odrivanju okolišnje snovi opravlja delo. Dovedana toplota se zato delno porabi za povečevanje notranje energije, del pa za opravljanje dela:

 dQ = m\, c_V\, dT + p\,dV \!\, .

Po analogiji s segrevanjem pri stalni prostornini definiramo še specifično toploto pri stalnem tlaku:

dQ = m\, c_p\, dT \!\, .

Entalpija[uredi | uredi kodo]

Po analogiji z notranjo energijo, katere sprememba je pri stalni prostornini enaka dovedeni toploti, uvedemo entalpijo (običajna oznaka je H) uvedemo kot termodinamično spremenljivko, katere sprememba je pri stalnem tlaku enaka dovedeni toploti.

 dH = m\,c_p\,dT \!\, .

Entalpija je definirana kot vsota notranje energije in produkta tlaka in prostornine:

 H = W_n + pV \!\, .

Termodinamski potenciali[uredi | uredi kodo]

Termodinamski potencial je takšna termodinamska spremenljivka, ki v stanju termodinamskega ravnovesja doseže ekstremno vrednost.

Prosta energija in prosta entalpija[uredi | uredi kodo]

Lastnost termodinamskega potenciala v zaprtem sistemu, katerega temperatura prek toplotnega stika z okolico ostaja konstantna, ima pri stalni prostornini sistema prosta energija (oznaka F), definirana kot:

 F = W_n - TS \!\, .

Lastnost termodinamskega potenciala v zaprtem sistemu, katerega temperatura prek toplotnega stika z okolico ostaja konstantna, ima pri stalnem tlaku prosta entalpija (oznaka G), definirana kot:

 G = H - TS \!\, .

Fazni prehodi[uredi | uredi kodo]

Fazni prehod je sprememba, pri katerem preide termodinamski sistem iz ene faze v drugo. Najbolj znani zgledi za fazni prehod so npr. izparevanje, taljenje ali sublimacija. Poled teh poznamo tudi druge fazne prehode, npr. prehod feromagnetne snovi v paramagnetno.

Zunanje povezave[uredi | uredi kodo]