Ilgą laiką fizikai ir kitų mokslų atstovai turėjo galimybę apibūdinti tai, ką stebi savo eksperimentų metu. Konsensuso nebuvimas ir daugybė terminų, paimtų „iš mėlynos spalvos“, sukėlė painiavą ir nesusipratimus tarp kolegų. Laikui bėgant kiekviena fizikos šaka įgijo nusistovėjusius apibrėžimus ir matavimo vienetus. Taip atsirado termodinaminiai parametrai, paaiškinantys daugumą makroskopinių sistemos pokyčių.
Apibrėžimas
Būsenos parametrai arba termodinaminiai parametrai yra keletas fizinių dydžių, kurie kartu ir kiekvienas atskirai gali apibūdinti stebimą sistemą. Tai apima tokias sąvokas kaip:
- temperatūra ir slėgis;
- koncentracija, magnetinė indukcija;
- entropija;
- entalpija;
- Gibbso ir Helmholtzo energijos ir daugelis kitų.
Pasirinkite intensyvius ir plačius parametrus. Platūs yra tie, kurie tiesiogiai priklauso nuo termodinaminės sistemos masės, irintensyvūs – kuriuos lemia kiti kriterijai. Ne visi parametrai yra vienodai nepriklausomi, todėl norint apskaičiuoti sistemos pusiausvyros būseną, reikia vienu metu nustatyti kelis parametrus.
Be to, tarp fizikų yra tam tikrų terminologinių nesutarimų. Tą pačią fizinę charakteristiką skirtingi autoriai gali vadinti arba procesu, arba koordinate, arba kiekiu, arba parametru, ar net tik savybe. Viskas priklauso nuo turinio, kuriame mokslininkas jį naudoja. Tačiau kai kuriais atvejais yra standartizuotų rekomendacijų, kurių privalo laikytis dokumentų, vadovėlių ar įsakymų rengėjai.
Klasifikacija
Yra keletas termodinaminių parametrų klasifikacijų. Taigi, remiantis pirmąja pastraipa, jau žinoma, kad visus kiekius galima suskirstyti į:
- ekstensyvus (priedas) – tokios medžiagos paklūsta pridėjimo dėsniui, tai yra, jų vertė priklauso nuo ingredientų skaičiaus;
- intensyvūs – jie nepriklauso nuo to, kiek medžiagos buvo paimta reakcijai, nes sąveikos metu yra išlygintos.
Atsižvelgiant į sąlygas, kuriomis yra sistemą sudarančios medžiagos, kiekius galima suskirstyti į tuos, kurie apibūdina fazines ir chemines reakcijas. Be to, reikia atsižvelgti į reagentų savybes. Jie gali būti:
- termomechaninis;
- termofizinis;
- termocheminė.
Be to, bet kuri termodinaminė sistema atlieka tam tikrą funkciją, todėl parametrai galiapibūdinkite darbą ar šilumą, pagamintą dėl reakcijos, taip pat leidžia apskaičiuoti energiją, reikalingą dalelių masei perduoti.
Būsenos kintamieji
Bet kurios sistemos, įskaitant termodinamines, būseną galima nustatyti pagal jos savybių arba charakteristikų derinį. Visi kintamieji, kurie visiškai nustatomi tik tam tikru laiko momentu ir nepriklauso nuo to, kaip tiksliai sistema pateko į šią būseną, vadinami termodinaminiais būsenos parametrais (kintamaisiais) arba būsenos funkcijomis.
Sistema laikoma nejudančia, jei kintamosios funkcijos laikui bėgant nesikeičia. Viena iš pastovios būsenos versijų yra termodinaminė pusiausvyra. Bet koks, net ir menkiausias sistemos pokytis, jau yra procesas ir jame gali būti nuo vieno iki kelių kintamų termodinaminių būsenų parametrų. Seka, kurioje sistemos būsenos nuolat pereina viena į kitą, vadinama „proceso keliu“.
Deja, vis dar yra painiavos su terminais, nes tas pats kintamasis gali būti nepriklausomas ir kelių sistemos funkcijų pridėjimo rezultatas. Todėl tokie terminai kaip „būsenos funkcija“, „būsenos parametras“, „būsenos kintamasis“gali būti laikomi sinonimais.
Temperatūra
Vienas iš nepriklausomų termodinaminės sistemos būsenos parametrų yra temperatūra. Tai vertė, apibūdinanti kinetinės energijos kiekį, tenkantį dalelių vienetuitermodinaminė sistema pusiausvyroje.
Jei prie sąvokos apibrėžimo priartėtume termodinamikos požiūriu, tai temperatūra yra vertė, atvirkščiai proporcinga entropijos pokyčiui, įdėjus į sistemą šilumos (energijos). Kai sistema yra pusiausvyroje, temperatūros reikšmė yra vienoda visiems jos „dalyviams“. Jei yra temperatūrų skirtumas, tada energiją atiduoda karštesnis kūnas, o sugeria š altesnis.
Yra termodinaminių sistemų, kuriose, pridėjus energiją, netvarka (entropija) ne didėja, o mažėja. Be to, jei tokia sistema sąveikauja su kūnu, kurio temperatūra yra aukštesnė už jo paties, tada ji atiduos savo kinetinę energiją šiam kūnui, o ne atvirkščiai (remiantis termodinamikos dėsniais).
Slėgis
Slėgis yra dydis, apibūdinantis jėgą, veikiančią kūną statmenai jo paviršiui. Norint apskaičiuoti šį parametrą, reikia padalyti visą jėgos kiekį iš objekto ploto. Šios jėgos vienetai bus paskaliai.
Termodinaminių parametrų atveju dujos užima visą joms prieinamą tūrį, be to, jas sudarančios molekulės nuolat juda atsitiktinai ir susiduria tarpusavyje bei su indu, kuriame jos yra. Būtent šie poveikiai lemia medžiagos slėgį ant indo sienelių arba kūno, patalpinto į dujas. Jėga sklinda vienodai visomis kryptimis būtent dėl to, kas nenuspėjamamolekuliniai judesiai. Norėdami padidinti slėgį, turite padidinti sistemos temperatūrą ir atvirkščiai.
Vidinė energija
Pagrindiniai termodinaminiai parametrai, kurie priklauso nuo sistemos masės, apima vidinę energiją. Ją sudaro kinetinė energija, atsirandanti dėl medžiagos molekulių judėjimo, taip pat potenciali energija, kuri atsiranda, kai molekulės sąveikauja viena su kita.
Šis parametras yra nedviprasmiškas. Tai yra, vidinės energijos vertė yra pastovi, kai sistema yra norimoje būsenoje, nepaisant to, kokiu būdu ji (būsena) buvo pasiekta.
Neįmanoma pakeisti vidinės energijos. Tai sistemos išskiriamos šilumos ir jos atliekamo darbo suma. Kai kuriuose procesuose atsižvelgiama į kitus parametrus, tokius kaip temperatūra, entropija, slėgis, potencialas ir molekulių skaičius.
Entropija
Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad izoliuotos sistemos entropija nemažėja. Kita formuluotė teigia, kad energija niekada nepereina iš žemesnės temperatūros kūno į karštesnį. Tai savo ruožtu atmeta galimybę sukurti amžinąjį variklį, nes neįmanoma visos kūno turimos energijos perkelti į darbą.
Pati „entropijos“sąvoka pradėta vartoti XIX amžiaus viduryje. Tada tai buvo suvokiama kaip šilumos kiekio pasikeitimas į sistemos temperatūrą. Tačiau šis apibrėžimas galioja tikprocesai, kurie nuolat yra pusiausvyroje. Iš to galime padaryti tokią išvadą: jei kūnų, sudarančių sistemą, temperatūra linkusi į nulį, tada entropija taip pat bus lygi nuliui.
Entropija kaip termodinaminis dujų būsenos parametras naudojama kaip atsitiktinumo, dalelių judėjimo atsitiktinumo matas. Jis naudojamas molekulių pasiskirstymui tam tikroje srityje ir inde nustatyti arba medžiagos jonų sąveikos elektromagnetinei jėgai apskaičiuoti.
Entalpija
Entalpija yra energija, kuri esant pastoviam slėgiui gali būti paversta šiluma (arba darbu). Tai yra pusiausvyros sistemos potencialas, jei tyrėjas žino entropijos lygį, molekulių skaičių ir slėgį.
Jei nurodomas idealių dujų termodinaminis parametras, vietoj entalpijos vartojama formuluotė „išplėstinės sistemos energija“. Kad šią reikšmę būtų lengviau paaiškinti patiems, galime įsivaizduoti indą, pripildytą dujų, kurios tolygiai suspaudžiamos stūmoklio (pavyzdžiui, vidaus degimo variklis). Šiuo atveju entalpija bus lygi ne tik vidinei medžiagos energijai, bet ir darbui, kurį reikia atlikti, kad sistema būtų į reikiamą būseną. Šio parametro keitimas priklauso tik nuo pradinės ir galutinės sistemos būsenos, o būdas, kuriuo jis bus gautas, neturi reikšmės.
Gibbs Energy
Termodinamikos parametrai ir procesai dažniausiai yra susiję su sistemą sudarančių medžiagų energetiniu potencialu. Taigi Gibso energija yra visos sistemos cheminės energijos ekvivalentas. Tai rodo, kokie pokyčiai įvyks vykstant cheminėms reakcijoms ir ar medžiagos apskritai sąveikaus.
Sistemos energijos kiekio ir temperatūros keitimas reakcijos eigoje turi įtakos tokioms sąvokoms kaip entalpija ir entropija. Skirtumas tarp šių dviejų parametrų bus vadinamas Gibso energija arba izobariniu-izoterminiu potencialu.
Mažiausia šios energijos vertė stebima, jei sistema yra pusiausvyroje, o jos slėgis, temperatūra ir medžiagos kiekis nesikeičia.
Helmholtz Energy
Helmholco energija (pagal kitus š altinius – tiesiog nemokama energija) yra potencialus energijos kiekis, kurį sistema praras sąveikaudama su joje neįeinančiais kūnais.
Helmholco laisvosios energijos sąvoka dažnai naudojama siekiant nustatyti, kokį maksimalų darbą gali atlikti sistema, ty kiek šilumos išsiskiria, kai medžiagos pereina iš vienos būsenos į kitą.
Jei sistema yra termodinaminės pusiausvyros būsenoje (tai yra, ji neveikia), tada laisvosios energijos lygis yra minimalus. Tai reiškia, kad keičiant kitus parametrus, pvz., temperatūrą,slėgis, dalelių skaičius taip pat neatsiranda.
