Για πολύ καιρό, οι φυσικοί και οι εκπρόσωποι άλλων επιστημών είχαν τον τρόπο να περιγράφουν αυτό που παρατηρούσαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τους. Η έλλειψη συναίνεσης και η παρουσία μεγάλου αριθμού όρων βγαλμένων «από το μπλε» οδήγησε σε σύγχυση και παρεξηγήσεις μεταξύ των συναδέλφων. Με τον καιρό, κάθε κλάδος της φυσικής απέκτησε τους καθιερωμένους ορισμούς και τις μονάδες μέτρησής του. Έτσι εμφανίστηκαν οι θερμοδυναμικές παράμετροι, εξηγώντας τις περισσότερες από τις μακροσκοπικές αλλαγές στο σύστημα.
Ορισμός
Οι παράμετροι κατάστασης, ή θερμοδυναμικές παράμετροι, είναι ένας αριθμός φυσικών μεγεθών που μαζί και το καθένα χωριστά μπορούν να χαρακτηρίσουν το παρατηρούμενο σύστημα. Αυτές περιλαμβάνουν έννοιες όπως:
- θερμοκρασία και πίεση;
- συγκέντρωση, μαγνητική επαγωγή;
- εντροπία;
- ενθαλπία;
- Ενέργειες Gibbs και Helmholtz και πολλές άλλες.
Επιλέξτε εντατικές και εκτεταμένες παραμέτρους. Εκτεταμένα είναι αυτά που εξαρτώνται άμεσα από τη μάζα του θερμοδυναμικού συστήματος, καιεντατική - τα οποία καθορίζονται με άλλα κριτήρια. Δεν είναι όλες οι παράμετροι εξίσου ανεξάρτητες, επομένως, για να υπολογιστεί η κατάσταση ισορροπίας του συστήματος, είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν πολλές παράμετροι ταυτόχρονα.
Επιπλέον, υπάρχουν ορισμένες ορολογικές διαφωνίες μεταξύ των φυσικών. Το ίδιο φυσικό χαρακτηριστικό μπορεί να ονομαστεί από διαφορετικούς συντάκτες είτε μια διεργασία, είτε μια συντεταγμένη, είτε μια ποσότητα, είτε μια παράμετρος, ή ακόμα και μια ιδιότητα. Όλα εξαρτώνται από το περιεχόμενο στο οποίο το χρησιμοποιεί ο επιστήμονας. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, υπάρχουν τυποποιημένες συστάσεις τις οποίες πρέπει να τηρούν οι συντάκτες εγγράφων, σχολικών βιβλίων ή παραγγελιών.
Ταξινόμηση
Υπάρχουν διάφορες ταξινομήσεις θερμοδυναμικών παραμέτρων. Έτσι, με βάση την πρώτη παράγραφο, είναι ήδη γνωστό ότι όλες οι ποσότητες μπορούν να χωριστούν σε:
- εκτεταμένο (πρόσθετο) - τέτοιες ουσίες υπακούουν στο νόμο της προσθήκης, δηλαδή, η αξία τους εξαρτάται από τον αριθμό των συστατικών·
- έντονες - δεν εξαρτώνται από την ποσότητα της ουσίας που λήφθηκε για την αντίδραση, καθώς ευθυγραμμίζονται κατά την αλληλεπίδραση.
Με βάση τις συνθήκες υπό τις οποίες βρίσκονται οι ουσίες που απαρτίζουν το σύστημα, οι ποσότητες μπορούν να χωριστούν σε αυτές που περιγράφουν τις αντιδράσεις φάσης και τις χημικές αντιδράσεις. Επιπλέον, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι ιδιότητες των αντιδρώντων. Μπορούν να είναι:
- θερμομηχανική;
- θερμοφυσική;
- θερμοχημικό.
Εκτός αυτού, οποιοδήποτε θερμοδυναμικό σύστημα εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία, επομένως οι παράμετροι μπορούνχαρακτηρίζουν το έργο ή τη θερμότητα που παράγεται ως αποτέλεσμα της αντίδρασης και επίσης σας επιτρέπουν να υπολογίσετε την ενέργεια που απαιτείται για τη μεταφορά της μάζας των σωματιδίων.
Μεταβλητές κατάστασης
Η κατάσταση οποιουδήποτε συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της θερμοδυναμικής, μπορεί να προσδιοριστεί από έναν συνδυασμό των ιδιοτήτων ή των χαρακτηριστικών του. Όλες οι μεταβλητές που καθορίζονται πλήρως μόνο σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή και δεν εξαρτώνται από το πώς ακριβώς έφτασε το σύστημα σε αυτήν την κατάσταση ονομάζονται θερμοδυναμικές παράμετροι κατάστασης (μεταβλητές) ή συναρτήσεις κατάστασης.
Το σύστημα θεωρείται ακίνητο εάν οι μεταβλητές συναρτήσεις δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Μια εκδοχή της σταθερής κατάστασης είναι η θερμοδυναμική ισορροπία. Οποιαδήποτε, ακόμη και η μικρότερη αλλαγή στο σύστημα, είναι ήδη μια διαδικασία και μπορεί να περιέχει από μία έως πολλές μεταβλητές θερμοδυναμικές παραμέτρους. Η ακολουθία κατά την οποία οι καταστάσεις του συστήματος μεταβάλλονται συνεχώς η μία στην άλλη ονομάζεται "διαδρομή διαδικασίας".
Δυστυχώς, εξακολουθεί να υπάρχει σύγχυση με τους όρους, καθώς η ίδια μεταβλητή μπορεί να είναι τόσο ανεξάρτητη όσο και αποτέλεσμα προσθήκης πολλών συναρτήσεων συστήματος. Επομένως, όροι όπως "συνάρτηση κατάστασης", "παράμετρος κατάστασης", "μεταβλητή κατάστασης" μπορούν να θεωρηθούν ως συνώνυμοι.
Θερμοκρασία
Μία από τις ανεξάρτητες παραμέτρους της κατάστασης ενός θερμοδυναμικού συστήματος είναι η θερμοκρασία. Είναι μια τιμή που χαρακτηρίζει την ποσότητα της κινητικής ενέργειας ανά μονάδα σωματιδίωνθερμοδυναμικό σύστημα σε ισορροπία.
Αν προσεγγίσουμε τον ορισμό της έννοιας από την άποψη της θερμοδυναμικής, τότε η θερμοκρασία είναι μια τιμή αντιστρόφως ανάλογη της μεταβολής της εντροπίας μετά την προσθήκη θερμότητας (ενέργειας) στο σύστημα. Όταν το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία, η τιμή θερμοκρασίας είναι ίδια για όλους τους «συμμετέχοντες». Εάν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας, τότε η ενέργεια εκπέμπεται από ένα θερμότερο σώμα και απορροφάται από ένα ψυχρότερο.
Υπάρχουν θερμοδυναμικά συστήματα στα οποία όταν προστίθεται ενέργεια, η διαταραχή (εντροπία) δεν αυξάνεται, αλλά μάλλον μειώνεται. Επιπλέον, εάν ένα τέτοιο σύστημα αλληλεπιδράσει με ένα σώμα του οποίου η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη από τη δική του, τότε θα δώσει την κινητική του ενέργεια σε αυτό το σώμα και όχι το αντίστροφο (βάσει των νόμων της θερμοδυναμικής).
Πίεση
Πίεση είναι μια ποσότητα που χαρακτηρίζει τη δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα, κάθετα στην επιφάνειά του. Για να υπολογιστεί αυτή η παράμετρος, είναι απαραίτητο να διαιρέσετε ολόκληρη την ποσότητα δύναμης με την περιοχή του αντικειμένου. Οι μονάδες αυτής της δύναμης θα είναι πασκάλ.
Στην περίπτωση των θερμοδυναμικών παραμέτρων, το αέριο καταλαμβάνει ολόκληρο τον διαθέσιμο όγκο και, επιπλέον, τα μόρια που το αποτελούν κινούνται συνεχώς τυχαία και συγκρούονται μεταξύ τους και με το δοχείο στο οποίο βρίσκονται. Αυτές οι κρούσεις είναι που καθορίζουν την πίεση της ουσίας στα τοιχώματα του δοχείου ή στο σώμα που τοποθετείται στο αέριο. Η δύναμη διαδίδεται εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις ακριβώς λόγω του απρόβλεπτουμοριακές κινήσεις. Για να αυξήσετε την πίεση, πρέπει να αυξήσετε τη θερμοκρασία του συστήματος και το αντίστροφο.
Εσωτερική ενέργεια
Οι κύριες θερμοδυναμικές παράμετροι που εξαρτώνται από τη μάζα του συστήματος περιλαμβάνουν την εσωτερική ενέργεια. Αποτελείται από την κινητική ενέργεια που οφείλεται στην κίνηση των μορίων μιας ουσίας, καθώς και από τη δυναμική ενέργεια που εμφανίζεται όταν τα μόρια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Αυτή η παράμετρος είναι σαφής. Δηλαδή, η τιμή της εσωτερικής ενέργειας είναι σταθερή όποτε το σύστημα βρίσκεται στην επιθυμητή κατάσταση, ανεξάρτητα από τον τρόπο με τον οποίο έφτασε (η κατάσταση).
Είναι αδύνατο να αλλάξει η εσωτερική ενέργεια. Είναι το άθροισμα της θερμότητας που εκπέμπεται από το σύστημα και του έργου που παράγει. Για ορισμένες διεργασίες, λαμβάνονται υπόψη άλλες παράμετροι, όπως η θερμοκρασία, η εντροπία, η πίεση, το δυναμικό και ο αριθμός των μορίων.
Εντροπία
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος δεν μειώνεται. Μια άλλη διατύπωση υποστηρίζει ότι η ενέργεια δεν περνά ποτέ από ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία σε ένα θερμότερο. Αυτό, με τη σειρά του, αρνείται τη δυνατότητα δημιουργίας μιας μηχανής αέναης κίνησης, καθώς είναι αδύνατο να μεταφερθεί όλη η διαθέσιμη ενέργεια στο σώμα στην εργασία.
Η ίδια η έννοια της «εντροπίας» εισήχθη σε χρήση στα μέσα του 19ου αιώνα. Στη συνέχεια έγινε αντιληπτή ως αλλαγή της ποσότητας θερμότητας στη θερμοκρασία του συστήματος. Αλλά αυτός ο ορισμός ισχύει μόνο γιαδιαδικασίες που βρίσκονται συνεχώς σε ισορροπία. Από αυτό μπορούμε να βγάλουμε το εξής συμπέρασμα: αν η θερμοκρασία των σωμάτων που αποτελούν το σύστημα τείνει στο μηδέν, τότε και η εντροπία θα είναι ίση με μηδέν.
Η εντροπία ως θερμοδυναμική παράμετρος της κατάστασης του αερίου χρησιμοποιείται ως ένδειξη του μέτρου της τυχαιότητας, της τυχαίας κίνησης των σωματιδίων. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κατανομής των μορίων σε μια συγκεκριμένη περιοχή και ένα δοχείο ή για τον υπολογισμό της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης αλληλεπίδρασης μεταξύ των ιόντων μιας ουσίας.
Ενθαλπία
Ενθαλπία είναι η ενέργεια που μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα (ή έργο) υπό σταθερή πίεση. Αυτό είναι το δυναμικό ενός συστήματος που βρίσκεται σε ισορροπία εάν ο ερευνητής γνωρίζει το επίπεδο εντροπίας, τον αριθμό των μορίων και την πίεση.
Εάν υποδεικνύεται η θερμοδυναμική παράμετρος ενός ιδανικού αερίου, αντί για ενθαλπία, χρησιμοποιείται η διατύπωση "ενέργεια του εκτεταμένου συστήματος". Προκειμένου να διευκολυνθεί η εξήγηση αυτής της τιμής στον εαυτό μας, μπορούμε να φανταστούμε ένα δοχείο γεμάτο με αέριο, το οποίο συμπιέζεται ομοιόμορφα από ένα έμβολο (για παράδειγμα, μια μηχανή εσωτερικής καύσης). Σε αυτή την περίπτωση, η ενθαλπία θα είναι ίση όχι μόνο με την εσωτερική ενέργεια της ουσίας, αλλά και με το έργο που πρέπει να γίνει για να φέρει το σύστημα στην απαιτούμενη κατάσταση. Η αλλαγή αυτής της παραμέτρου εξαρτάται μόνο από την αρχική και την τελική κατάσταση του συστήματος και ο τρόπος με τον οποίο θα ληφθεί δεν έχει σημασία.
Gibbs Energy
Οι θερμοδυναμικές παράμετροι και διεργασίες, ως επί το πλείστον, σχετίζονται με το ενεργειακό δυναμικό των ουσιών που απαρτίζουν το σύστημα. Έτσι, η ενέργεια Gibbs είναι το ισοδύναμο της συνολικής χημικής ενέργειας του συστήματος. Δείχνει ποιες αλλαγές θα συμβούν κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων και εάν οι ουσίες θα αλληλεπιδράσουν καθόλου.
Η αλλαγή της ποσότητας ενέργειας και θερμοκρασίας του συστήματος κατά τη διάρκεια της αντίδρασης επηρεάζει έννοιες όπως η ενθαλπία και η εντροπία. Η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο παραμέτρων θα ονομάζεται ενέργεια Gibbs ή ισοβαρικό-ισόθερμο δυναμικό.
Η ελάχιστη τιμή αυτής της ενέργειας παρατηρείται εάν το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία και η πίεση, η θερμοκρασία και η ποσότητα της ύλης παραμένουν αμετάβλητα.
Helmholtz Energy
Η ενέργεια Helmholtz (σύμφωνα με άλλες πηγές - απλώς ελεύθερη ενέργεια) είναι η πιθανή ποσότητα ενέργειας που θα χαθεί από το σύστημα όταν αλληλεπιδρά με σώματα που δεν περιλαμβάνονται σε αυτό.
Η έννοια της ελεύθερης ενέργειας Helmholtz χρησιμοποιείται συχνά για να προσδιοριστεί η μέγιστη εργασία που μπορεί να εκτελέσει ένα σύστημα, δηλαδή πόση θερμότητα απελευθερώνεται όταν οι ουσίες αλλάζουν από τη μια κατάσταση στην άλλη.
Αν το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας (δηλαδή, δεν κάνει καμία εργασία), τότε το επίπεδο ελεύθερης ενέργειας είναι στο ελάχιστο. Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή άλλων παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία,πίεση, ο αριθμός των σωματιδίων επίσης δεν εμφανίζεται.
