I lang tid havde fysikere og repræsentanter for andre videnskaber en måde at beskrive, hvad de observerer i løbet af deres eksperimenter. Manglen på konsensus og tilstedeværelsen af et stort antal udtryk taget "ud af det blå" førte til forvirring og misforståelser blandt kolleger. Med tiden fik hver gren af fysik sine etablerede definitioner og måleenheder. Sådan fremstod termodynamiske parametre, hvilket forklarer de fleste af de makroskopiske ændringer i systemet.
Definition
Tilstandsparametre eller termodynamiske parametre er en række fysiske størrelser, der sammen og hver for sig kan karakterisere det observerede system. Disse omfatter begreber som:
- temperatur og tryk;
- koncentration, magnetisk induktion;
- entropy;
- enthalpy;
- Gibbs og Helmholtz energier og mange andre.
Vælg intensive og omfattende parametre. Omfattende er dem, der er direkte afhængige af massen af det termodynamiske system, ogintensiv - som er bestemt af andre kriterier. Ikke alle parametre er lige uafhængige, derfor er det nødvendigt at bestemme flere parametre på én gang for at beregne systemets ligevægtstilstand.
Derudover er der nogle terminologiske uenigheder blandt fysikere. Den samme fysiske egenskab kan af forskellige forfattere kaldes enten en proces eller en koordinat, eller en mængde, eller en parameter, eller endda bare en egenskab. Det hele afhænger af indholdet, som videnskabsmanden bruger det i. Men i nogle tilfælde er der standardiserede anbefalinger, som udarbejdere af dokumenter, lærebøger eller ordrer skal overholde.
Klassificering
Der er flere klassifikationer af termodynamiske parametre. Så baseret på første afsnit er det allerede kendt, at alle mængder kan opdeles i:
- extensive (additiv) - sådanne stoffer overholder loven om tilsætning, det vil sige, deres værdi afhænger af antallet af ingredienser;
- intense - de afhænger ikke af, hvor meget af stoffet der blev taget til reaktionen, da de er justeret under interaktionen.
Baseret på de forhold, som stofferne, der udgør systemet, befinder sig under, kan mængderne opdeles i dem, der beskriver fasereaktioner og kemiske reaktioner. Derudover skal der tages hensyn til reaktanternes egenskaber. De kan være:
- termomekanisk;
- termofysisk;
- termokemisk.
Udover dette udfører ethvert termodynamisk system en bestemt funktion, så parametrene kankarakterisere det arbejde eller den varme, der produceres som et resultat af reaktionen, og også give dig mulighed for at beregne den energi, der kræves for at overføre massen af partikler.
Statsvariable
Tilstanden af ethvert system, inklusive termodynamisk, kan bestemmes af en kombination af dets egenskaber eller karakteristika. Alle variable, der kun er fuldstændigt bestemt på et bestemt tidspunkt og ikke afhænger af, hvordan systemet præcist kom til denne tilstand, kaldes termodynamiske tilstandsparametre (variabler) eller tilstandsfunktioner.
Systemet betragtes som stationært, hvis de variable funktioner ikke ændrer sig over tid. En version af steady state er termodynamisk ligevægt. Enhver, selv den mindste ændring i systemet, er allerede en proces, og den kan indeholde fra en til flere variable termodynamiske tilstandsparametre. Rækkefølgen, hvori systemets tilstande kontinuerligt overgår til hinanden, kaldes "processtien".
Desværre er der stadig forvirring med begreberne, da den samme variabel både kan være uafhængig og resultatet af tilføjelse af flere systemfunktioner. Derfor kan udtryk som "tilstandsfunktion", "tilstandsparameter", "tilstandsvariabel" betragtes som synonymer.
Temperatur
En af de uafhængige parametre for tilstanden af et termodynamisk system er temperatur. Det er en værdi, der karakteriserer mængden af kinetisk energi pr. enhed af partikler itermodynamisk system i ligevægt.
Hvis vi nærmer os definitionen af begrebet ud fra et termodynamisk synspunkt, så er temperaturen en værdi omvendt proportional med ændringen i entropi efter tilføjelse af varme (energi) til systemet. Når systemet er i ligevægt, er temperaturværdien den samme for alle dets "deltagere". Hvis der er en temperaturforskel, afgives energien af en varmere krop og absorberes af en koldere.
Der er termodynamiske systemer, hvor uorden (entropi) ikke øges, men snarere aftager, når der tilføres energi. Derudover, hvis et sådant system interagerer med et legeme, hvis temperatur er højere end dets egen, så vil det afgive sin kinetiske energi til dette legeme, og ikke omvendt (baseret på termodynamikkens love).
Pressure
Tryk er en størrelse, der karakteriserer den kraft, der virker på et legeme, vinkelret på dets overflade. For at beregne denne parameter er det nødvendigt at dividere hele mængden af kraft med objektets areal. Enhederne for denne kraft vil være pascal.
I tilfælde af termodynamiske parametre optager gassen hele det tilgængelige volumen, og desuden bevæger molekylerne, der udgør den, sig konstant tilfældigt og kolliderer med hinanden og med det kar, hvori de er placeret. Det er disse påvirkninger, der bestemmer stoffets tryk på karrets vægge eller på kroppen, der er placeret i gassen. Kraft forplanter sig ligeligt i alle retninger netop på grund af det uforudsigeligemolekylære bevægelser. For at øge trykket skal du øge systemets temperatur og omvendt.
Intern energi
De vigtigste termodynamiske parametre, der afhænger af systemets masse, inkluderer intern energi. Den består af den kinetiske energi, der skyldes bevægelsen af et stofs molekyler, samt af den potentielle energi, der opstår, når molekylerne interagerer med hinanden.
Denne parameter er utvetydig. Det vil sige, at værdien af intern energi er konstant, når systemet er i den ønskede tilstand, uanset hvilken vej det (tilstanden) blev nået.
Det er umuligt at ændre den indre energi. Det er summen af den varme, som systemet afgiver og det arbejde, det producerer. For nogle processer tages andre parametre i betragtning, såsom temperatur, entropi, tryk, potentiale og antallet af molekyler.
Entropy
Termodynamikkens anden lov siger, at entropien i et isoleret system ikke falder. En anden formulering postulerer, at energi aldrig går fra en krop med en lavere temperatur til en varmere. Dette afviser igen muligheden for at skabe en evighedsmaskine, da det er umuligt at overføre al den energi, der er tilgængelig for kroppen, til arbejde.
Selve begrebet "entropi" blev introduceret i brug i midten af det 19. århundrede. Så blev det opfattet som en ændring i mængden af varme til systemets temperatur. Men denne definition gælder kun forprocesser, der konstant er i ligevægt. Ud fra dette kan vi drage følgende konklusion: hvis temperaturen på de kroppe, der udgør systemet, har tendens til nul, så vil entropien også være lig nul.
Entropi som en termodynamisk parameter for gastilstanden bruges som en indikation af mål for tilfældighed, tilfældighed af partikelbevægelse. Det bruges til at bestemme fordelingen af molekyler i et bestemt område og kar eller til at beregne den elektromagnetiske kraft af vekselvirkning mellem ionerne af et stof.
Enthalpy
Entalpi er den energi, der kan omdannes til varme (eller arbejde) ved konstant tryk. Dette er potentialet i et system, der er i ligevægt, hvis forskeren kender entropiniveauet, antallet af molekyler og trykket.
Hvis den termodynamiske parameter for en ideel gas er angivet, i stedet for entalpi, bruges formuleringen "det udvidede systems energi". For at gøre det nemmere at forklare denne værdi for os selv, kan vi forestille os et kar fyldt med gas, som er ensartet komprimeret af et stempel (for eksempel en forbrændingsmotor). I dette tilfælde vil entalpien ikke kun være lig med stoffets indre energi, men også med det arbejde, der skal udføres for at bringe systemet i den krævede tilstand. Ændring af denne parameter afhænger kun af systemets indledende og endelige tilstand, og måden, hvorpå den modtages, er ligegyldig.
Gibbs Energy
Termodynamiske parametre og processer er for det meste forbundet med energipotentialet for de stoffer, der udgør systemet. Gibbs-energien svarer således til systemets samlede kemiske energi. Den viser, hvilke ændringer der vil ske i løbet af kemiske reaktioner, og om stoffer overhovedet vil interagere.
Ændring af mængden af energi og temperatur i systemet i løbet af reaktionen påvirker begreber som entalpi og entropi. Forskellen mellem disse to parametre vil blive kaldt Gibbs energi eller isobarisk-isotermisk potentiale.
Minimumsværdien af denne energi observeres, hvis systemet er i ligevægt, og dets tryk, temperatur og stofmængde forbliver uændret.
Helmholtz Energy
Helmholtz-energi (ifølge andre kilder - bare fri energi) er den potentielle mængde energi, der vil gå tabt af systemet, når det interagerer med kroppe, der ikke er inkluderet i det.
Begrebet Helmholtz fri energi bruges ofte til at bestemme, hvilket maksim alt arbejde et system kan udføre, det vil sige hvor meget varme der frigives, når stoffer skifter fra en tilstand til en anden.
Hvis systemet er i en tilstand af termodynamisk ligevægt (det vil sige, det virker ikke), så er niveauet af fri energi på et minimum. Det betyder, at ændring af andre parametre, såsom temperatur,tryk, antallet af partikler forekommer heller ikke.
