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] 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

Termodinamika se razvila u 19. veku kroz pokušaje da se poveća efikasnost ranih parnih mašina, posebno kroz rad francuskog fizičara Nikole Leonara Sadija Karnoa (1824) koji je smatrao da je efikasnot motora od ključne važnosti da bi se pomoglo Francuskoj da pobedi u Napoleonovim ratovima.[6] . Škodski fizičar Lord Kelvin je prvi formulisao konciznu definiciju termodinamike 1854. godine[7] koja glasi, „Termo-dinamika je predmet odnosa toplote i sila koje deluju između susednih delova tela, i relacije toplote sa električnim činiocima.“

Inicijalna primena termodinamike na mehaničke toplotne mašine je rano šroširena na izučavanje hemijskih jedinjenja i hemijskih reakcija. Hemijska termodinamika studira prirodu uloge entropije u procesu hemijskih reakcija i omogućila je znatan deo ekspanzije i poznavanja tog polja.[8][9][10][11][12][13][14][4][15] Druge formulacije termodinamike su se pojavile u narednim dekadama. Statistička termodinamika, ili statistička mehanika, se bavi statističkim predviđanjima kolektivnog kretanja čestica polazeći od njihovog mikroskopskog ophođenja. Godine 1909. je Konstantin Karateodori predstavio čisto matematički pristup polju u svojoj aksiomatskoj formulaciji termodinamike, opis koji se često naziva geometrijskom termodinamikom.

Uvod[uredi]

Opis termodinamičkog sistema obuhvata zakone termodinamike koji formiraju aksiomatsku bazu. Prvi zakon navodi da se energija može razmeniti između fizičkih sistema kao toplota i rad.[16] Drugi zakon definiše postojanje kvantiteta zvanog entropija, koji opisuje u termodinamičkom smislu smer u kome sistem može da evoluira, i kvantifikuje stanje uređenosti sistema, te se može koristiti za kvantifikaciju korisnog rada koji je moguće ekstrahovati iz sistema.[17]

U termodinamici se izučavaju i kategorišu interakcije između velikih grupa objekata. Centralno tome su koncepti termodinamičkog sistema i njegovog okruženja. Sistem se sastoji od čestica, čije prosečno kretanje definiše njegova svojstva, i ta svojstva su međusobno povezana putem jednačine stanja. Osobine se mogu kombinovati da bi se izrazila unutrašnja energija i termodinamički potencijali, koji su korisni za određivanje uslova ravnoteže i spontanih procesa.

Sa tim oruđem, termodnamika se može koristiti za opisivanje načina na koji sistemi odgovaraju na promene u njihovom okruženju. To se može primeniti na širok spektar tema u nauci i inženjerstvu, kao što su motori, fazne transformacije, hemijske reaskcije, fenomeni prenosa, i čak crne rupe. Rezultati termodinamike su esencijalni za druga polja fizike i za hemiju, hemijsko inženjerstvo, vazduhoplovno inženjerstvo, mašinstvo, citologiju, biomedicinsko inženjerstvo, nauku o materijalima, i ekonomiju, da pomenemo samo neke.[18][19]

Ovaj članak se bavi uglavnom klasičnom termodinamikom koja prvenstveno izučava sisteme u termodinamičkoj ravnoteži. Neravnotežna termodinamika se obično tretira kao produžetak klasičnog tretmana, mada je statistička mehanika donela mnoge napredke na tom polju.

Predstavnici termodinamičara iz originalnih osam osnivačkih škola termodinamike. Škole sa najtrajnijim uticajem na osnivanje moderne verzije termodinamike su Berlinska škola, posebno u obliku ustanovljenom u knjizi Rudolfa Klauziusa Mehanička teorija toplote iz 1865. godine, Bečka škola, sa statističkom mehanikom Ludviga Bolcmana, i Gibsijanska škola sa Jel univerziteta, američkog inženjera Vilarda Gibsa' koji je 1876. godine radom O ravnoteži heterogenih supstanci lansirao hemijsku termodinamiku.[20]

Istorija[uredi]

Istorija termodinamike kao naučne discipline generalno počinje sa Oto fon Gerikom koji je 1650. godine dizajnirao i izgradio prvu vakuum pumpu i demonstrirao vakuum koristeći svoje Magdeburške hemisfere. Gerike je bio motivisan da proizvede vakuum da bi opovrgao Aristotelovu dugo održanu pretpostavku da 'priroda prezire vakuum'. Ubrzo nakon toga, engleski fizičar i hemičar Robert Bojl je saznao za Gerikov rad i 1656. godine je u saradnji sa engleskim naučnikom Robertom Hukom, izgradio vazdušnu pumpu.[21] Koristeći tu pumpu, Bojl i Huk su uočili korelaciju izmeđz pritiska, temperature, i zapremine. Kasnije je formulisan Bojlov zakon, koji navodi da su pritisak i zapremina inverzno proporcionalni. Zatim je 1679. godine na bazi tih koncepata Bojlov saradnik Denis Papin napravio parni lonac, koji je bio zatvoren sud sa čvrsto prionjenim poklopcem koji je zadržavao paru dok se ne stvori visoki pritisak.

Kasniji dizajni su sadržali ventil za oslobađanje pare koji je sprečavao eksplozije mašine. Gledajući kako se ventil ritmično pokreće gore i dole, Papin došao do ideje za mašinu s klipom i cilindrom. Međutim, on nije realizovao taj dizajn. Godine 1697. na bazi Papinovih dizajna, inženjer Tomas Severi je napravio prvu mašinu, a njegov put je sledio Tomas Njukomen 1712. godine. Mada su te rane mašine bile grube i neefikasne, one su privukle pažnju vodećih naučnika tog vremena.

Fundamentalne koncepte toplotnog kapaciteta i latentne toplote, koji su bili neophodni za razvoj termodinamike, je razvio profesor Džozef Blek sa univerziteta u Glazgovu, gde je Džejms Vat radio na praljenju instrumenata. Blek i Vat su zajedno izveli eksperiment, a zatim je Vat je došao na ideju da uvede spoljašnji kondenzator, što je dovelo do velikog povećanja efikasnositi parne mašine.[22] Sumiranje svog ranijeg rada je navelo Sadi Karno, „oca termodinamike“, da objavi Размишљања о погонској снази ватре (1824), koji je pregled toplote, snage, energije i mašinske efikasnosti. Ovaj rad je istakao osnovne energetske relacije između Karnoove mašine, Karnoovog ciklusa, i pogonske snage. Njime je obeležen početak termodinamike kao moderne nauke.[4]

Prvi udžbenik termodinamike je napisao Vilijam Renkin 1859. godine, prvobitno obučen kao fizičar i profesor građevinskog i mašinskog inženjerstva na univerzitetu u Glazgovu.[23] Prvi i drugi zakon termodinamike su se simultano pojavili tokom 1850-tih, prevashodno putem radova Vilijama Renkina, Rudolfa Klauzius i Vilijama Tomsona (Lorda Kelvina).

Temelje statističke termodinamike su postavili fizičari, kao što su Džejms Klerk Maksvel, Ludvig Bolcman, Maks Plank, Rudolf Klauzius i Vilard Gibs.[24][25][26]

Tokom perioda 1873-76 američki matematički fizičar Vilard Gibs je objavio seriju od tri publikacije, najpoznatija od kojih je O ravnoteži heterogenih supstanci,[8] u kojoj je pokazao kako se termodinamički procesi, uključujući hemijske reakcije, mogu grafički analizirati, studiranjem energije, entropije, zapremina, temperature i pritiska termodinamičkog sistema na takav način, da se može odrediti da li će se proces spontano odvijati.[27] Pjer Djuhem je isto tako pisao o hemijskoj termodinamici u 19. veku.[9] Tokom ranog 20. veka, hemičari kao što su Gilbert Njuton Luis, Merl Randal,[10] i Edvard Gugenhajm[11][12] su primenili Gibsove matematičke metode u analizi hemijskih procesa.

Etimologija[uredi]

Etimologija termodinamike ima komplikovanu istoriju.[28] Reč je prvobitno pisana sa crticom kao pridev (termo-dinamički) i od 1854 do 1868 kao imenica termo-dinamika za označavanje nauke kojom se generalizuju toplotne mašine.[28]

Američki biofizičar Donald Hejni tvrdi da je reč termodinamika skovana 1840. iz grčke osnove θέρμη therme, sa značenjem toplota i δύναμις dynamis, sa značenjem snaga.[29] Međutim, neki izvori navode da je ova etimologija malo verovatna.[28]

Pjer Pero tvrdi da je termin termodinamika formulisao Džejms Džul 1858. godine da označi nauku o relacijama između toplote i snage,[4] međutim, Džul nikad nije koristio taj termin, nego je umesto toga koristio termin perfektna termo-dinamička mašina na osnovu Tomsonove frazeologije[28] iz 1849[30].

Do 1858. godine, termo-dinamika, kao funkcionalni termin, je korištena u Kelvinovom radu An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat.[30]

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]

  • Prvi postulat: Postoji funkcija (koja se naziva entropija) ekstenzivnih parametara bilo kog kompozitnog sistema (sistema koji se sastoji od jedne ili više komponenti) koja je definisana za sva termodinamički ravnotežna stanja i za koju će pretpostavljeni parametari koji opisuju sistem, u odsustvu unutrašnjih ograničenja imati one vrednosti koje će maksimizovati ovu funkciju na mnogostrukosti ograničenoj ravnotežnim stanjima.

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]

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]

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]

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).[3]

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. Reichl (1998). str. 173.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Callen (1985)
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9. 
  5. Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5. 
  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 978-0-486-59065-3. 
  7. William Thomson (1882). Mathematical and Physical Papers. 1. London, Cambridge: C.J. Clay, M.A. & Son, Cambridge University Press. str. 232. 
  8. 8,0 8,1 Gibbs, Willard, J. (1876). Transactions of the Connecticut Academy, III. str. 108-248, Oct. 1875-May 1876, and pp. 343-524, May 1877-July 1878.
  9. 9,0 9,1 Duhem, P.M.M. (1886). Le Potential Thermodynamique et ses Applications, Hermann, Paris.
  10. 10,0 10,1 Lewis, Gilbert N.; Randall, Merle (1923). Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill Book Co. Inc. 
  11. 11,0 11,1 Guggenheim, E.A. (1933). Modern Thermodynamics by the Methods of J.W. Gibbs, Methuen, London.
  12. 12,0 12,1 Guggenheim, E.A. (1949/1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, 1st edition 1949, 5th edition 1967, North-Holland, Amsterdam.
  13. Ilya Prigogine, I.; Defay, R. (1954). Chemical Thermodynamics. translated by D.H. Everett. Longmans, Green & Co., London. Includes classical non-equilibrium thermodynamics. 
  14. Enrico Fermi (1956). Thermodynamics. Courier Dover Publications. str. (ix). ISBN 978-0-486-60361-2. OCLC 230763036. 
  15. Clark, John O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5. OCLC 58732844. 
  16. Van Ness, H.C. (1983) [1969]. Understanding Thermodynamics. Dover Publications, Inc. ISBN 9780486632773. OCLC 8846081. 
  17. Dugdale, J.S. (1998). Entropy and its Physical Meaning. Taylor and Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5. OCLC 36457809. 
  18. Smith, J.M.; Van Ness, H.C.; Abbott, M.M. (2005). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw Hill. ISBN 978-0-07-310445-4. OCLC 56491111. 
  19. Haynie, Donald T. (2001). Biological Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-79549-4. OCLC 43993556. 
  20. Schools of thermodynamics - EoHT.info.
  21. Partington, J.R. (1989). A Short History of Chemistry. Dover. OCLC 19353301. 
  22. Njukomenova mašina je bila poboljšana od 1711 do Vatovog rada, čineči poređenje efikasnosti predmetom kvalifikacija, ali je povećanje efikasnosti verzije iz 1865. godine bilo reda 100%.
  23. Cengel, Yunus A.; Boles, Michael A. (2005). Thermodynamics - an Engineering Approach. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-310768-4. 
  24. Gibbs, Josiah Willard (1902). Elementary Principles in Statistical Mechanics. New York: Charles Scribner's Sons. 
  25. Tolman, R. C. (1938). The Principles of Statistical Mechanics. Dover Publications. ISBN 9780486638966. 
  26. Balescu, Radu (1975). Equilibrium and Non-Equilibrium Statistical Mechanics. John Wiley & Sons. ISBN 9780471046004. 
  27. Gibbs, Willard (1993). The Scientific Papers of J. Willard Gibbs, Volume One: Thermodynamics. Ox Bow Press. ISBN 978-0-918024-77-0. OCLC 27974820. 
  28. 28,0 28,1 28,2 28,3 „Thermodynamics (etymology)”. EoHT.info. 
  29. Haynie, Donald T. (2008). Biological Thermodynamics (2 izd.). Cambridge University Press. str. 26. 
  30. 30,0 30,1 Kelvin, William T. (1849) "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat - with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam." Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2.Scanned Copy

Literatura[uredi]

  • Ilya Prigogine, I.; Defay, R. (1954). Chemical Thermodynamics. translated by D.H. Everett. Longmans, Green & Co., London. Includes classical non-equilibrium thermodynamics. 
  • Lewis, Gilbert N.; Randall, Merle (1923). Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill Book Co. Inc. 
  • William Thomson (1882). Mathematical and Physical Papers. 1. London, Cambridge: C.J. Clay, M.A. & Son, Cambridge University Press. str. 232. 
  • Reichl, Linda E. (1998). A Modern Course in Statistical Physics (2nd izd.). Wiley. ISBN 978-0-471-59520-5. 
  • 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 978-0-486-59065-3. 
  • Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5. 
  • Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9. 
  • Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. Wiley. ISBN 978-0-471-86256-7. 
  • Goldstein, Martin & Inge F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press. ISBN 978-0-674-75325-9. OCLC 32826343.  A nontechnical introduction, good on historical and interpretive matters.
  • Kazakov, Andrei (2008). „Web Thermo Tables – an On-Line Version of the TRC Thermodynamic Tables” (PDF). Journal of Research of the National Institutes of Standards and Technology. 113 (4): 209—220. 
  • Dunning-Davies, Jeremy (1997). Concise Thermodynamics: Principles and Applications. Horwood Publishing. ISBN 978-1-898563-15-0. OCLC 36025958. 
  • Kroemer, Herbert & Kittel, Charles (1980). Thermal Physics. W. H. Freeman Company. ISBN 978-0-7167-1088-2. OCLC 32932988. 

Spoljašnje veze[uredi]