Термодинамика

Из Википедије, слободне енциклопедије

Термодинамика (грч. θερμη, топлота и δυναμις, снага) је грана физике која проучава макроскопске утицаје топлоте, рада и енергије на физичке системе честица.[1] Термодинамика је теорија која повезује усредњене вредности физичких количина, као што су енергија и магнетизација.[2] У ширем смислу, термодинамика обухвата науку о топлотним особинама материје и прелазима између агрегатних стања (Фазни прелаз).

Реч термодинамика потиче од грчких речи за топлоту и снагу. У називу се реч топлота односи на проток енергије, јер термодинамика с једне стране проучава проток топлотне енергије, а снага се односи на кретање термодинамичког система, где термодинамика проучава начин на који се прозводи механички рад.

Основни проблем термодинамике је одређивање равнотежног стања система који и након укидања границе евентуално може остати у том стању у затвореном сложеном систему.[3] Испитивања у термодинамици се врше применом статистичких метода на елементарне честице (атоми, молекули) које сачињавају посматрани систем.[4][5]

Термодинамика се развила у 19. веку кроз покушаје да се повећа ефикасност раних парних машина.[6] Предност стандардне феноменолошке термодинамике у односу на статистичку физику која проучава исте појаве другим приступом, је та што су њени закони универзални, док је њена непотпуност у томе што се константе у термодинамици добијају или емпиријски или узимају из других грана физике у којима су рачунате.

Природа термодинамике[уреди]

Поред термодинамике, основне гране класичне физике су механика и електромагнетизам. Механика се примењује на динамику честица на које делују силе и уводи се Њутнов закон, а у формалнијем облику он се може изразити преко Лагранжевог или Хамилтоновог принципа. Електромагнетизам се примењује на динамику поља у којем посредују силе, а дефинишу се Максвелове једначине. За разлику од механике и електромагнетизма, термодинамика се не дефинише преко домена на ком се примењује и преко неког фундаменталног закона. Термодинамика се карактерише општошћу у смислу да се може применити на све врсте макроскопских система и то на тај начин што ће увести везе и поставити границе (лимите) дозвољеним физичким процесима.

Због овог својства, термодинамика се може дефинисати као:

Грана физике која проучава ограничења могућих особина материје које произилазе из особина симетрија фундаменталних закона физике.[3]

Метода решавања[уреди]

Зависност концентрације хемијских компоненти од растојања од динамичке равнотеже система

За решавање стандардног термодинамичког проблема једноставног композитног система треба најпре одредити равнотежна стања система, а затим их класификовати у зависности од стабилности (стабилна и нестабилна равнотежна стања).

Поступак за решавање је најпре пронаћи фундаменталне једначине сваког подсистема које ће одредити ентропије за све подсистеме у равнотежном стању. Одавде се из адитивности добија ентропија целог система као функција различитих екстензивних параметара подсистема. Диференцирањем се одређује екстремум ентропије, а по знаку другог извода се одређује врсту ексремалне вредности (максимум, минимум).

Постулати термодинамике[уреди]

Vista-xmag.png За више информација погледајте чланак Постулати термодинамике

На нултој температури (температура се дефинише као парцијални извод унутрашње енергије по ентропији, где су сви остали екстензивни параметри фиксирани) ентропија је нула.

Закони термодинамике[уреди]

Vista-xmag.png За више информација погледајте чланак Закони термодинамике

Закони термодинамике су скуп од четири основна закона у термодинамици који директно следе из постулата термодинамике и они представљају теоријску основу термодинамике. Закони термодинамике не зависе од врста термодинамичких система и њихових интеракција, већ само од протока материје и енергије.

Ако су два термодинамичка система у равнотежи са трећим, онда су у равнотежи и међу собом.
Промена унутрашње енергије затвореног термодинамичког система једнака је збиру топлотне енергије додате систему и термодинамичког рада примењеног на систем.
Укупна ентропија изолованог термодинамичког система се увећава до своје максималне вредности.
Када се систем асимптотски приближава температурној апсолутној нули ентропија тежи својој минималној вредности (нули).

Термодинамички системи[уреди]

Vista-xmag.png За више информација погледајте чланак Термодинамички системи

Термодинамички систем је скуп великог броја честица (реда 1023 честица) са идеализованим механичким и електричним особинама, који се може на неки начин одвојити, тј. разликовати од околине, тако да буду задовољени задати гранични услови. Под појмом термодинамичких система најчешће се подразумевају једноставни системи, тј. хомогене, изотропне и ненаелектрисане системе на које не делују никаква спољашња поља, и који су довољно велики да се код њих могу занемарити површински ефекти.[3]

Термодинамички процеси[уреди]

Vista-xmag.png За више информација погледајте чланак Термодинамички процеси

Термодинамички процеси подразумевају управљање термодинамичким системом спољним променама параметара (најчешће спољашњом променом температуре, притиска или запремине) тако да он прелази из једног у друго термодинамичко стање. По правилу, термодинамички процеси се међусобно разликују по физичким параметрима који их карактеришу и врсти енергије која се не преноси у датом процесу.

Подела процеса у односу на граничну површ[уреди]

Термодинамички процеси се међусобно разликују у зависности од квалитета граничне површи између система и околине (или између 2 термодинамичка система).[7]

Квалитети границе у општем случају могу зависити од:

Размена енергије[уреди]

Размена енергије између два термодинамичка система или између система и околине такође зависи од квалитета границе, и може бити[3]:

  • рад, када је кретање уређено и граница омогућава размену рада
  • топлота, микроскопски степени слободе код неуређеног кретања када граница не омогућава размену топлоте (у случајевима када граница омогућава размену топлоте, систем се назива диатермални)
  • путем честица, када је гранична површ пермеабилна

Врсте термодинамичких процеса[уреди]

Види још[уреди]

Референце[уреди]

  1. ^ Шта је термодинамика?, Глен истраживачки центар, НАСА
  2. ^ A Modern Course in Statistical Physics, друга едиција, L. E. Reichl, pp. 173, Wiley, 1998, ISBN 0471595209, ISBN 9780471595205
  3. ^ а б в г Thermodinamics and an Introduction to Thermostatistics, друга едиција, Hebert B. Callen ISBN 0471862568
  4. ^ Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6. 
  5. ^ Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8. 
  6. ^ Clausius, Ruldolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff's Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 0-486-59065-8. 
  7. ^ Thermodinamics and an Introduction to Thermostatistics, друга едиција, Hebert B. Callen, ISBN 0471862568

Литература[уреди]

  • Clausius, Ruldolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff's Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 0-486-59065-8. 
  • Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8. 
  • Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6. 

Спољашње везе[уреди]