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]

  • Први постулат: Постоји функција (која се назива ентропија) екстензивних параметара било ког композитног система (система који се састоји од једне или више компоненти) која је дефинисана за сва термодинамички равнотежна стања и за коју ће претпостављени параметари који описују систем, у одсуству унутрашњих ограничења имати оне вредности које ће максимизовати ову функцију на многострукости ограниченој равнотежним стањима.

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]

Главни 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]

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]

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).[3]

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. Reichl (1998). стр. 173.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Callen (1985)
  4. 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. 

Литература[уреди]

  • Reichl, Linda E. (1998). A Modern Course in Statistical Physics (2nd изд.). 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. 

Спољашње везе[уреди]