Termodinamika

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu

Termodinamika (grč. θερμη, toplota i δυναμις, snaga) je grana fizike koja proučava makroskopske uticaje toplote, rada i energije na fizičke sisteme čestica.[1] Termodinamika je teorija koja povezuje usrednjene vrednosti fizičkih količina, kao što su energija i magnetizacija.[2] U širem smislu, termodinamika obuhvata nauku o toplotnim osobinama materije i prelazima između agregatnih stanja (Fazni prelaz).

Reč termodinamika potiče od grčkih reči za toplotu i snagu. U nazivu se reč toplota odnosi na protok energije, jer termodinamika s jedne strane proučava protok toplotne energije, a snaga se odnosi na kretanje termodinamičkog sistema, gde termodinamika proučava način na koji se prozvodi mehanički rad.

Osnovni problem termodinamike je određivanje ravnotežnog stanja sistema koji i nakon ukidanja granice eventualno može ostati u tom stanju u zatvorenom složenom sistemu.[3] Ispitivanja u termodinamici se vrše primenom statističkih metoda na elementarne čestice (atomi, molekuli) koje sačinjavaju posmatrani sistem.[4][5]

Termodinamika se razvila u 19. veku kroz pokušaje da se poveća efikasnost ranih parnih mašina.[6] Prednost standardne fenomenološke termodinamike u odnosu na statističku fiziku koja proučava iste pojave drugim pristupom, je ta što su njeni zakoni univerzalni, dok je njena nepotpunost u tome što se konstante u termodinamici dobijaju ili empirijski ili uzimaju iz drugih grana fizike u kojima su računate.

Priroda termodinamike[uredi]

Pored termodinamike, osnovne grane klasične fizike su mehanika i elektromagnetizam. Mehanika se primenjuje na dinamiku čestica na koje deluju sile i uvodi se Njutnov zakon, a u formalnijem obliku on se može izraziti preko Lagranževog ili Hamiltonovog principa. Elektromagnetizam se primenjuje na dinamiku polja u kojem posreduju sile, a definišu se Maksvelove jednačine. Za razliku od mehanike i elektromagnetizma, termodinamika se ne definiše preko domena na kom se primenjuje i preko nekog fundamentalnog zakona. Termodinamika se karakteriše opštošću u smislu da se može primeniti na sve vrste makroskopskih sistema i to na taj način što će uvesti veze i postaviti granice (limite) dozvoljenim fizičkim procesima.

Zbog ovog svojstva, termodinamika se može definisati kao:

Grana fizike koja proučava ograničenja mogućih osobina materije koje proizilaze iz osobina simetrija fundamentalnih zakona fizike.[3]

Metoda rešavanja[uredi]

Zavisnost koncentracije hemijskih komponenti od rastojanja od dinamičke ravnoteže sistema

Za rešavanje standardnog termodinamičkog problema jednostavnog kompozitnog sistema treba najpre odrediti ravnotežna stanja sistema, a zatim ih klasifikovati u zavisnosti od stabilnosti (stabilna i nestabilna ravnotežna stanja).

Postupak za rešavanje je najpre pronaći fundamentalne jednačine svakog podsistema koje će odrediti entropije za sve podsisteme u ravnotežnom stanju. Odavde se iz aditivnosti dobija entropija celog sistema kao funkcija različitih ekstenzivnih parametara podsistema. Diferenciranjem se određuje ekstremum entropije, a po znaku drugog izvoda se određuje vrstu eksremalne vrednosti (maksimum, minimum).

Postulati termodinamike[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Postulati termodinamike.

Na nultoj temperaturi (temperatura se definiše kao parcijalni izvod unutrašnje energije po entropiji, gde su svi ostali ekstenzivni parametri fiksirani) entropija je nula.

Zakoni termodinamike[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Zakoni termodinamike.

Zakoni termodinamike su skup od četiri osnovna zakona u termodinamici koji direktno slede iz postulata termodinamike i oni predstavljaju teorijsku osnovu termodinamike. Zakoni termodinamike ne zavise od vrsta termodinamičkih sistema i njihovih interakcija, već samo od protoka materije i energije.

Ako su dva termodinamička sistema u ravnoteži sa trećim, onda su u ravnoteži i među sobom.
Promena unutrašnje energije zatvorenog termodinamičkog sistema jednaka je zbiru toplotne energije dodate sistemu i termodinamičkog rada primenjenog na sistem.
Ukupna entropija izolovanog termodinamičkog sistema se uvećava do svoje maksimalne vrednosti.
Kada se sistem asimptotski približava temperaturnoj apsolutnoj nuli entropija teži svojoj minimalnoj vrednosti (nuli).

Termodinamički sistemi[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Termodinamički sistemi.

Termodinamički sistem je skup velikog broja čestica (reda 1023 čestica) sa idealizovanim mehaničkim i električnim osobinama, koji se može na neki način odvojiti, tj. razlikovati od okoline, tako da budu zadovoljeni zadati granični uslovi. Pod pojmom termodinamičkih sistema najčešće se podrazumevaju jednostavni sistemi, tj. homogene, izotropne i nenaelektrisane sisteme na koje ne deluju nikakva spoljašnja polja, i koji su dovoljno veliki da se kod njih mogu zanemariti površinski efekti.[3]

Termodinamički procesi[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Termodinamički procesi.

Termodinamički procesi podrazumevaju upravljanje termodinamičkim sistemom spoljnim promenama parametara (najčešće spoljašnjom promenom temperature, pritiska ili zapremine) tako da on prelazi iz jednog u drugo termodinamičko stanje. Po pravilu, termodinamički procesi se međusobno razlikuju po fizičkim parametrima koji ih karakterišu i vrsti energije koja se ne prenosi u datom procesu.

Podela procesa u odnosu na graničnu površ[uredi]

Termodinamički procesi se međusobno razlikuju u zavisnosti od kvaliteta granične površi između sistema i okoline (ili između 2 termodinamička sistema).[7]

Kvaliteti granice u opštem slučaju mogu zavisiti od:

Razmena energije[uredi]

Razmena energije između dva termodinamička sistema ili između sistema i okoline takođe zavisi od kvaliteta granice, i može biti[3]:

  • rad, kada je kretanje uređeno i granica omogućava razmenu rada
  • toplota, mikroskopski stepeni slobode kod neuređenog kretanja kada granica ne omogućava razmenu toplote (u slučajevima kada granica omogućava razmenu toplote, sistem se naziva diatermalni)
  • putem čestica, kada je granična površ permeabilna

Vrste termodinamičkih procesa[uredi]

Vidi još[uredi]

Reference[uredi]

  1. Šta je termodinamika?, Glen istraživački centar, NASA
  2. A Modern Course in Statistical Physics, druga edicija, L. E. Reichl, pp. 173, Wiley, 1998, ISBN 0-471-59520-9, ISBN 978-0-471-59520-5
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Thermodinamics and an Introduction to Thermostatistics, druga edicija, Hebert B. Callen ISBN 0-471-86256-8
  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, druga edicija, Hebert B. Callen, ISBN 0-471-86256-8

Literatura[uredi]

  • 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. 

Spoljašnje veze[uredi]