Termodynamika

Termodynamika jest działem fizyki, który zajmuje się zjawiskami cieplnymi zachodzącymi w dostatecznie dużych zbiorowiskach cząstek materii.

Cząstki materii znajdują się w ciągłym ruchu. Posiadają określoną (w danych warunkach) energię wewnętrzną. Energię wewnętrzną ciała można zwiększyć wykonując nad nim pracę lub zmniejszyć, gdy ciało samo będzie wykonywało pracę. Energia wewnętrzna ciała ulega również zmianie, gdy zetkną się ciała o różnej temperaturze. Wtedy cząsteczki o wyższej temperaturze zderzają się z cząsteczkami o temperaturze niższej, przekazując część swojej energii kinetycznej. Średnie energie kinetyczne obu ciał wyrównują się, a tym samym ich temperatury. Mówimy wtedy o stanie równowagi termicznej.

Tę część energii wewnętrznej, którą ciało o temperaturze wyższej przekazuje ciału o temperaturze niższej nazywamy ciepłem. Ciepło, które trzeba dostarczyć ciału, aby je ogrzać do określonej temperatury jest wprost proporcjonalne do masy ciała oraz przyrostu temperatury.

Wielkością stałą dla danej substancji jest ciepło właściwe c, które informuje jaką ilość ciepła należy dostarczyć substancji o masie 1 kg, aby zwiększyć jej temperaturę o 1 K (lub o 1 stopień C).

Dla ciał stałych i cieczy ciepło właściwe jest wielkością charakterystyczną dla danego ciała, dla gazów zależy również od rodzaju przemiany, w której gaz pobiera ciepło. W przypadku gazów posługujemy się pojęciem ciepła molowego, które informuje, jaką ilość ciepła należy dostarczyć jednemu molowi gazu, by go ogrzać o 1 K (lub 1 stopień C).

Termodynamika dla opisu wielu właściwości gazu posługuje się pojęciem gazu doskonałego. Jest to opis przybliżony, ale sprawdzający się dla większości gazów (wyłączając bardzo niskie temperatury i wysokie ciśnienie). W przypadku gazu doskonałego pomijamy oddziaływania między cząsteczkami, za wyjątkiem ich zderzeń.

Związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego określa równanie stanu gazu doskonałego – równanie Clapeyrona.

Przemiany termodynamiczne gazów:  

  • izotermiczna (dla określonej masy gazu temperatura t=const)

Prawo Boyle'a

W przemianie izotermicznej gazu o stałej masie jego ciśnienie jest odwrotnie proporcjonalne do objętości.

  • izochoryczna (dla określonej masy gazu objętość V=const)

Prawo Charlesa

W izochorycznej przemianie gazu o stałej masie ciśnienie gazu jest wprost proporcjonalne do jego temperatury bezwzględnej.  

  • izobaryczna (dla określonej masy gazu ciśnienie p=const)

Prawo Gay-Lussaca

W izobarycznej przemianie gazu o stałej masie objętość zajmowana przez gaz jest wprost proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej.  

  • adiabatyczna (nie następuje wymiana ciepła z otoczeniem).

Zjawiska cieplne przebiegają według ogólnie przyjętych w przyrodzie praw, nazwanych zasadami termodynamiki, ustalonych na zasadzie doświadczeń i obserwacji. Jeżeli obejmują dostatecznie dużą liczbę cząstek materii przebiegają tylko w jednym kierunku – są nieodwracalne.

termodynamika

Z tym stwierdzeniem wiąże się II zasada termodynamiki umocniona przez Carnota i Clausiusa. Clausius, dzięki wprowadzeniu pojęcia entropii umożliwił ujęcie drugiej zasady termodynamiki w postaci:

Druga zasada termodynamiki ustala kierunek przemian zachodzących w przyrodzie – od stanów mniej prawdopodobnych do stanów bardziej prawdopodobnych. W zagadnieniach technicznych pozwala ona określić warunki uzyskania największej sprawności przemian energetycznych.

Trzecią zasadę termodynamiki sformułował Walter Nernst, tzw. teoremat Nernsta. Dzięki tej zasadzie stało się możliwe stosowanie drugiej zasady do reakcji chemicznych.

Dzięki powstaniu termodynamiki rozpatrującej procesy nieodwracalne, zostało sformułowane przez Onsagera i de Groota prawo, przez niektórych uczonych nazywane czwartą zasadą termodynamiki.