Fyzici a predstavitelia iných vied mali dlhú dobu spôsob, ako opísať to, čo pozorujú počas svojich experimentov. Neexistencia konsenzu a prítomnosť veľkého množstva výrazov prevzatých „z ničoho nič“viedli k zmätku a nedorozumeniam medzi kolegami. Postupom času každé odvetvie fyziky získalo svoje zavedené definície a jednotky merania. Takto sa objavili termodynamické parametre vysvetľujúce väčšinu makroskopických zmien v systéme.
Definícia
Stavové parametre alebo termodynamické parametre sú množstvo fyzikálnych veličín, ktoré spolu a každá samostatne môžu charakterizovať pozorovaný systém. Patria sem pojmy ako:
- teplota a tlak;
- koncentrácia, magnetická indukcia;
- entropy;
- enthalpy;
- Gibbsove a Helmholtzove energie a mnoho ďalších.
Vyberte intenzívne a rozsiahle parametre. Rozsiahle sú tie, ktoré sú priamo závislé od hmotnosti termodynamického systému, aintenzívne – ktoré sú určené inými kritériami. Nie všetky parametre sú rovnako nezávislé, preto pre výpočet rovnovážneho stavu systému je potrebné určiť niekoľko parametrov naraz.
Okrem toho medzi fyzikmi existujú určité terminologické nezhody. Rovnakú fyzikálnu charakteristiku môžu rôzni autori nazvať buď procesom, alebo súradnicou, alebo veličinou, alebo parametrom, alebo dokonca len vlastnosťou. Všetko závisí od obsahu, v ktorom ho vedec použije. V niektorých prípadoch však existujú štandardizované odporúčania, ktoré musia autori dokumentov, učebníc alebo príkazov dodržiavať.
Klasifikácia
Existuje niekoľko klasifikácií termodynamických parametrov. Takže na základe prvého odseku je už známe, že všetky množstvá možno rozdeliť na:
- extenzívne (aditívne látky) – takéto látky sa riadia zákonom pridávania, to znamená, že ich hodnota závisí od počtu zložiek;
- intenzívne – nezávisia od toho, koľko látky sa použilo na reakciu, pretože sú zarovnané počas interakcie.
Na základe podmienok, v ktorých sa látky, ktoré tvoria systém, nachádzajú, možno množstvá rozdeliť na tie, ktoré opisujú fázové reakcie a chemické reakcie. Okrem toho je potrebné vziať do úvahy vlastnosti reaktantov. Môžu byť:
- termomechanické;
- termofyzikálne;
- termochemické.
Okrem toho každý termodynamický systém vykonáva určitú funkciu, takže parametre môžucharakterizovať prácu alebo teplo produkované ako výsledok reakcie a tiež vám umožňuje vypočítať energiu potrebnú na prenos hmotnosti častíc.
Premenné stavu
Stav akéhokoľvek systému, vrátane termodynamického, môže byť určený kombináciou jeho vlastností alebo charakteristík. Všetky premenné, ktoré sú úplne určené len v určitom časovom okamihu a nezávisia od toho, ako presne sa systém do tohto stavu dostal, sa nazývajú termodynamické stavové parametre (premenné) alebo stavové funkcie.
Systém sa považuje za stacionárny, ak sa funkcie premenných v priebehu času nemenia. Jednou z verzií ustáleného stavu je termodynamická rovnováha. Akákoľvek, aj najmenšia zmena v systéme je už proces a môže obsahovať jeden až niekoľko premenných termodynamických stavových parametrov. Sekvencia, v ktorej stavy systému plynule prechádzajú jeden do druhého, sa nazýva „cesta procesu“.
Bohužiaľ stále dochádza k zámene pojmov, keďže tá istá premenná môže byť nezávislá a môže byť výsledkom pridania niekoľkých systémových funkcií. Preto výrazy ako „stavová funkcia“, „stavový parameter“, „stavová premenná“možno považovať za synonymá.
Teplota
Jedným z nezávislých parametrov stavu termodynamického systému je teplota. Je to hodnota, ktorá charakterizuje množstvo kinetickej energie na jednotku častíc vtermodynamický systém v rovnováhe.
Ak sa k definícii pojmu priblížime z hľadiska termodynamiky, tak teplota je hodnota nepriamo úmerná zmene entropie po pridaní tepla (energie) do systému. Keď je systém v rovnováhe, hodnota teploty je rovnaká pre všetkých jeho „účastníkov“. Ak dôjde k teplotnému rozdielu, energiu odovzdá teplejšie teleso a pohltí ju chladnejšie.
Existujú termodynamické systémy, v ktorých pri pridávaní energie neporiadok (entropia) nerastie, ale naopak klesá. Okrem toho, ak takýto systém interaguje s telesom, ktorého teplota je vyššia ako jeho vlastná, potom odovzdá svoju kinetickú energiu tomuto telesu a nie naopak (na základe zákonov termodynamiky).
Tlak
Tlak je veličina, ktorá charakterizuje silu pôsobiacu na teleso kolmo na jeho povrch. Na výpočet tohto parametra je potrebné rozdeliť celé množstvo sily plochou objektu. Jednotky tejto sily budú pascaly.
V prípade termodynamických parametrov plyn zaberá celý objem, ktorý má k dispozícii, a navyše molekuly, ktoré ho tvoria, sa neustále náhodne pohybujú a narážajú do seba a do nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Práve tieto nárazy určujú tlak látky na steny nádoby alebo na teleso, ktoré je umiestnené v plyne. Sila sa šíri rovnako vo všetkých smeroch práve kvôli nepredvídateľnostimolekulárne pohyby. Ak chcete zvýšiť tlak, musíte zvýšiť teplotu systému a naopak.
Vnútorná energia
Hlavné termodynamické parametre, ktoré závisia od hmotnosti systému, zahŕňajú vnútornú energiu. Pozostáva z kinetickej energie spôsobenej pohybom molekúl látky, ako aj z potenciálnej energie, ktorá vzniká pri vzájomnej interakcii molekúl.
Tento parameter je jednoznačný. To znamená, že hodnota vnútornej energie je konštantná vždy, keď je systém v požadovanom stave, bez ohľadu na to, akým spôsobom bol (stav) dosiahnutý.
Vnútornú energiu nie je možné zmeniť. Je to súčet tepla vydávaného systémom a práce, ktorú produkuje. Pri niektorých procesoch sa berú do úvahy ďalšie parametre, ako je teplota, entropia, tlak, potenciál a počet molekúl.
Entropy
Druhý termodynamický zákon hovorí, že entropia izolovaného systému sa neznižuje. Iná formulácia predpokladá, že energia nikdy neprechádza z telesa s nižšou teplotou do teplejšieho. To zase popiera možnosť vytvorenia stroja perpetuum mobile, pretože nie je možné preniesť všetku energiu dostupnú telu do práce.
Samotný pojem „entropia“sa začal používať v polovici 19. storočia. Potom to bolo vnímané ako zmena množstva tepla na teplotu systému. Ale táto definícia platí len preprocesy, ktoré sú neustále v rovnováhe. Z toho môžeme vyvodiť nasledujúci záver: ak teplota telies, ktoré tvoria systém, má tendenciu k nule, potom sa aj entropia bude rovnať nule.
Entropia ako termodynamický parameter stavu plynu sa používa ako indikácia miery náhodnosti, náhodnosti pohybu častíc. Používa sa na určenie rozloženia molekúl v určitej oblasti a nádobe alebo na výpočet elektromagnetickej sily interakcie medzi iónmi látky.
Entalpy
Entalpia je energia, ktorá sa môže premeniť na teplo (alebo prácu) pri konštantnom tlaku. Toto je potenciál systému, ktorý je v rovnováhe, ak výskumník pozná úroveň entropie, počet molekúl a tlak.
Ak je uvedený termodynamický parameter ideálneho plynu, namiesto entalpie sa používa formulácia „energia rozšíreného systému“. Aby sme si túto hodnotu ľahšie vysvetlili, môžeme si predstaviť nádobu naplnenú plynom, ktorá je rovnomerne stláčaná piestom (napríklad spaľovací motor). V tomto prípade sa entalpia bude rovnať nielen vnútornej energii látky, ale aj práci, ktorú je potrebné vykonať, aby sa systém dostal do požadovaného stavu. Zmena tohto parametra závisí len od počiatočného a konečného stavu systému a nezáleží na spôsobe, akým bude prijatý.
Gibbsova energia
Termodynamické parametre a procesy sú z väčšej časti spojené s energetickým potenciálom látok, ktoré tvoria systém. Gibbsova energia je teda ekvivalentom celkovej chemickej energie systému. Ukazuje, aké zmeny nastanú v priebehu chemických reakcií a či budú látky vôbec interagovať.
Zmena množstva energie a teploty systému v priebehu reakcie ovplyvňuje také pojmy ako entalpia a entropia. Rozdiel medzi týmito dvoma parametrami sa bude nazývať Gibbsova energia alebo izobaricko-izotermický potenciál.
Minimálna hodnota tejto energie sa pozoruje, ak je systém v rovnováhe a jeho tlak, teplota a množstvo hmoty zostávajú nezmenené.
Helmholtzova energia
Helmholtzova energia (podľa iných zdrojov - len voľná energia) je potenciálne množstvo energie, ktoré systém stratí pri interakcii s telesami, ktoré v ňom nie sú zahrnuté.
Koncept Helmholtzovej voľnej energie sa často používa na určenie, akú maximálnu prácu môže systém vykonať, teda koľko tepla sa uvoľní, keď látky prechádzajú z jedného stavu do druhého.
Ak je systém v stave termodynamickej rovnováhy (to znamená, že nevykonáva žiadnu prácu), potom je úroveň voľnej energie na minime. To znamená, že zmena iných parametrov, ako je teplota,tlaku, počet častíc sa tiež nevyskytuje.
