Po dlouhou dobu měli fyzici a zástupci jiných věd způsob, jak popsat, co pozorují během svých experimentů. Nedostatek konsenzu a přítomnost velkého množství termínů převzatých „z ničeho nic“vedly ke zmatkům a nedorozuměním mezi kolegy. Postupem času získalo každé odvětví fyziky své zavedené definice a měrné jednotky. Takto se objevily termodynamické parametry vysvětlující většinu makroskopických změn v systému.
Definice
Stavové parametry, neboli termodynamické parametry, je množství fyzikálních veličin, které společně a každá samostatně mohou charakterizovat pozorovaný systém. Patří sem pojmy jako:
- teplota a tlak;
- koncentrace, magnetická indukce;
- entropie;
- entalpie;
- Gibbsovy a Helmholtzovy energie a mnoho dalších.
Vyberte intenzivní a rozsáhlé parametry. Rozsáhlé jsou ty, které jsou přímo závislé na hmotnosti termodynamického systému, aintenzivní - které jsou určeny jinými kritérii. Ne všechny parametry jsou stejně nezávislé, proto je pro výpočet rovnovážného stavu systému nutné určit několik parametrů najednou.
Mezi fyziky navíc existují určité terminologické neshody. Stejnou fyzikální charakteristiku mohou různí autoři nazvat buď procesem, nebo souřadnicí, nebo veličinou, nebo parametrem, nebo dokonce jen vlastností. Vše závisí na obsahu, ve kterém jej vědec používá. V některých případech však existují standardizovaná doporučení, která musí zpracovatelé dokumentů, učebnic nebo příkazů dodržovat.
Klasifikace
Existuje několik klasifikací termodynamických parametrů. Takže na základě prvního odstavce je již známo, že všechna množství lze rozdělit na:
- extenzivní (aditivní) – takové látky se řídí zákonem sčítání, to znamená, že jejich hodnota závisí na počtu složek;
- intenzivní – nezávisí na tom, kolik látky bylo použito pro reakci, protože jsou během interakce zarovnány.
Na základě podmínek, za kterých se látky, které tvoří systém, nacházejí, lze veličiny rozdělit na veličiny popisující fázové reakce a chemické reakce. Kromě toho je třeba vzít v úvahu vlastnosti reaktantů. Mohou to být:
- termomechanické;
- termofyzikální;
- termochemické.
Kromě toho každý termodynamický systém vykonává určitou funkci, takže parametry mohoucharakterizovat práci nebo teplo produkované jako výsledek reakce a také vám umožní vypočítat energii potřebnou k přenosu hmotnosti částic.
Stavové proměnné
Stav jakéhokoli systému, včetně termodynamického, lze určit kombinací jeho vlastností nebo charakteristik. Všechny proměnné, které jsou zcela určeny pouze v určitém okamžiku a nezávisí na tom, jak přesně se systém do tohoto stavu dostal, se nazývají termodynamické stavové parametry (proměnné) nebo stavové funkce.
Systém je považován za stacionární, pokud se proměnné funkce v průběhu času nemění. Jednou z verzí ustáleného stavu je termodynamická rovnováha. Jakákoli, i sebemenší změna v systému je již procesem a může obsahovat jeden až několik proměnných termodynamických stavových parametrů. Sekvence, ve které stavy systému plynule přecházejí jeden do druhého, se nazývá "cesta procesu".
Bohužel stále dochází k záměně s pojmy, protože stejná proměnná může být jak nezávislá, tak i výsledkem přidání několika systémových funkcí. Proto lze termíny jako „stavová funkce“, „stavový parametr“, „stavová proměnná“považovat za synonyma.
Teplota
Jedním z nezávislých parametrů stavu termodynamického systému je teplota. Je to hodnota, která charakterizuje množství kinetické energie na jednotku částic vtermodynamický systém v rovnováze.
Pokud se k definici pojmu přiblížíme z hlediska termodynamiky, pak teplota je hodnota nepřímo úměrná změně entropie po přidání tepla (energie) do systému. Když je systém v rovnováze, je hodnota teploty pro všechny jeho "účastníky" stejná. Pokud dojde k teplotnímu rozdílu, pak je energie vydána teplejším tělesem a pohlcena chladnějším.
Existují termodynamické systémy, ve kterých při přidání energie neuspořádanost (entropie) neroste, ale spíše klesá. Navíc, pokud takový systém interaguje s tělesem, jehož teplota je vyšší než jeho vlastní, pak odevzdá svou kinetickou energii tomuto tělesu a ne naopak (na základě zákonů termodynamiky).
Tlak
Tlak je veličina, která charakterizuje sílu působící na těleso kolmo k jeho povrchu. Pro výpočet tohoto parametru je nutné vydělit celé množství síly plochou objektu. Jednotky této síly budou pascaly.
V případě termodynamických parametrů plyn zabírá celý objem, který má k dispozici, a navíc molekuly, které jej tvoří, se neustále náhodně pohybují a narážejí mezi sebou a s nádobou, ve které se nacházejí. Právě tyto nárazy určují tlak látky na stěny nádoby nebo na těleso, které je v plynu umístěno. Síla se šíří rovnoměrně všemi směry právě kvůli nepředvídatelnostimolekulární pohyby. Chcete-li zvýšit tlak, musíte zvýšit teplotu systému a naopak.
Vnitřní energie
Hlavní termodynamické parametry, které závisí na hmotnosti systému, zahrnují vnitřní energii. Skládá se z kinetické energie způsobené pohybem molekul látky a také z potenciální energie, která se objeví, když molekuly vzájemně interagují.
Tento parametr je jednoznačný. To znamená, že hodnota vnitřní energie je konstantní, kdykoli je systém v požadovaném stavu, bez ohledu na to, jakým způsobem bylo (stavu) dosaženo.
Je nemožné změnit vnitřní energii. Je to součet tepla vydávaného systémem a práce, kterou vyrábí. U některých procesů se berou v úvahu další parametry, jako je teplota, entropie, tlak, potenciál a počet molekul.
Entropy
Druhý zákon termodynamiky říká, že entropie izolovaného systému se nesnižuje. Jiná formulace předpokládá, že energie nikdy nepřechází z tělesa s nižší teplotou do teplejšího. To zase popírá možnost vytvořit perpetum mobile, protože je nemožné převést veškerou energii dostupnou tělu do práce.
Samotný pojem „entropie“byl zaveden do užívání v polovině 19. století. Pak to bylo vnímáno jako změna množství tepla na teplotu systému. Ale tato definice platí pouze proprocesy, které jsou neustále v rovnováze. Z toho můžeme vyvodit následující závěr: pokud teplota těles, která tvoří systém, má tendenci k nule, pak bude entropie také rovna nule.
Entropie jako termodynamický parametr stavu plynu se používá jako indikace míry náhodnosti, náhodnosti pohybu částic. Používá se k určení rozložení molekul v určité oblasti a nádobě nebo k výpočtu elektromagnetické síly interakce mezi ionty látky.
Entalpie
Entalpie je energie, kterou lze přeměnit na teplo (nebo práci) při konstantním tlaku. Toto je potenciál systému, který je v rovnováze, pokud výzkumník zná úroveň entropie, počet molekul a tlak.
Pokud je uveden termodynamický parametr ideálního plynu, místo entalpie se použije formulace „energie rozšířeného systému“. Abychom si tuto hodnotu snadněji vysvětlili, můžeme si představit nádobu naplněnou plynem, který je rovnoměrně stlačován pístem (například spalovací motor). V tomto případě se entalpie bude rovnat nejen vnitřní energii látky, ale také práci, kterou je třeba vykonat, aby se systém dostal do požadovaného stavu. Změna tohoto parametru závisí pouze na počátečním a konečném stavu systému a nezáleží na způsobu, jakým bude přijat.
Gibbs Energy
Termodynamické parametry a procesy jsou z velké části spojeny s energetickým potenciálem látek, které tvoří systém. Gibbsova energie je tedy ekvivalentem celkové chemické energie systému. Ukazuje, jaké změny nastanou v průběhu chemických reakcí a zda budou látky vůbec interagovat.
Změna množství energie a teploty systému v průběhu reakce ovlivňuje pojmy jako entalpie a entropie. Rozdíl mezi těmito dvěma parametry se bude nazývat Gibbsova energie nebo izobaricko-izotermický potenciál.
Minimální hodnota této energie je pozorována, pokud je systém v rovnováze a jeho tlak, teplota a množství hmoty zůstávají nezměněny.
Helmholtzova energie
Helmholtzova energie (podle jiných zdrojů - jen volná energie) je potenciální množství energie, kterou systém ztratí při interakci s tělesy, která v něm nejsou zahrnuta.
Koncept Helmholtzovy volné energie se často používá k určení, jakou maximální práci může systém vykonat, to znamená, kolik tepla se uvolní, když látky přecházejí z jednoho skupenství do druhého.
Pokud je systém ve stavu termodynamické rovnováhy (to znamená, že nevykonává žádnou práci), pak je hladina volné energie na minimu. To znamená, že změna dalších parametrů, jako je teplota,tlaku, počet částic se také nevyskytuje.
