Εξηγούμε τι είναι η θερμοδυναμική και από τι αποτελείται ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Επίσης, ποιοι είναι οι νόμοι της θερμοδυναμικής.
Τι είναι η θερμοδυναμική;
Ονομάζεται θερμοδυναμική (από τα ελληνικά θερμός, «Θερμότητα» και δυναμό, "Δύναμη, δύναμη") στον κλάδο του φυσικός που μελετά τις μηχανικές δράσεις της θερμότητας και άλλων παρόμοιων μορφών ενέργειας. Η μελέτη του προσεγγίζει τα αντικείμενα ως πραγματικά μακροσκοπικά συστήματα, μέσω του επιστημονική μέθοδος και τον απαγωγικό συλλογισμό, δίνοντας προσοχή σε εκτενείς μεταβλητές όπως π.χ εντροπία, η εσωτερική ενέργεια ή η Ενταση ΗΧΟΥ; καθώς και μη εκτεταμένες μεταβλητές όπως θερμοκρασία, ο Πίεση ή το χημικό δυναμικό, μεταξύ άλλων τύπων μεγεθών.
Ωστόσο, η θερμοδυναμική δεν προσφέρει μια ερμηνεία των ποσοτήτων που μελετά και τα αντικείμενα μελέτης της είναι πάντα συστήματα σε κατάσταση ισορροπίας, δηλαδή εκείνων των οποίων τα χαρακτηριστικά προσδιορίζονται από εσωτερικά στοιχεία και όχι τόσο από εξωτερικές δυνάμεις που δρουν πάνω τους. Για το λόγο αυτό, θεωρήστε ότι το Ενέργεια μπορεί να ανταλλάσσεται μόνο από το ένα σύστημα στο άλλο ως α θερμότητα ή από δουλειά.
Η επίσημη μελέτη της θερμοδυναμικής ξεκίνησε χάρη στον Otto von Guericke το 1650, έναν Γερμανό φυσικό και νομικό που σχεδίασε και κατασκεύασε την πρώτη αντλία κενού, διαψεύδοντας τον Αριστοτέλη και το ρητό του ότι «η φύση απεχθάνεται το κενό» με τις εφαρμογές του. Μετά από αυτή την εφεύρεση, οι επιστήμονες Robert Boyle και Robert Χουκ βελτίωσαν τα συστήματά τους και εξέτασαν τη συσχέτιση μεταξύ πίεσης, θερμοκρασίας και όγκου. Έτσι γεννήθηκαν οι αρχές της θερμοδυναμικής.
Θερμοδυναμικό σύστημα
Ένα θερμοδυναμικό σύστημα νοείται ως ένα μέρος του σύμπαντος που, για λόγους μελέτης, είναι εννοιολογικά απομονωμένο από τα υπόλοιπα και προσπαθεί να κατανοήσει αυτόνομα. Σημειώστε τους τρόπους με τους οποίους η ενέργεια αλλάζει ή διατηρείται και, ταυτόχρονα, τις ανταλλαγές της ύλη ή/και ενέργειας με το περιβάλλον ή με άλλα παρόμοια συστήματα (εάν υπάρχουν). Είναι, λοιπόν, μια μέθοδος μελέτης της θερμοδυναμικής.
Το κύριο κριτήριο για την ταξινόμηση αυτών των συστημάτων βασίζεται στον βαθμό απομόνωσής τους από το περιβάλλον, διακρίνοντας έτσι μεταξύ:
- Ανοιχτά συστήματα. Αυτά που ανταλλάσσουν ελεύθερα ενέργεια και ύλη με το περιβάλλον τους, όπως κάνουν τα περισσότερα γνωστά συστήματα στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα: ένα αυτοκίνητο. Ο ένας τον δίνει καύσιμα και επιστρέφει στο περιβάλλον αέρια Και ζέστη.
- Κλειστά συστήματα. Αυτά που ανταλλάσσουν ενέργεια με το περιβάλλον τους, αλλά όχι ύλη. Αυτό συμβαίνει με ένα κλειστό δοχείο, όπως ένα κουτί, του οποίου το περιεχόμενο είναι αμετάβλητο, αλλά χάνει θερμότητα με τοκαιρός, διασκορπίζοντάς το στον αέρα γύρω του.
- Απομονωμένα συστήματα. Αυτά που, ως ένα βαθμό, δεν ανταλλάσσουν ενέργεια ή ύλη με το περιβάλλον. Δεν υπάρχουν τέλεια μονωμένα συστήματα, φυσικά, αλλά υπάρχουν σε κάποιο βαθμό: ένα θερμός που περιέχει Νερό ζεστό θα διατηρήσει τη θερμοκρασία του για λίγο, αρκεί να το κρατήσει μονωμένο για λίγο.
Νόμοι της θερμοδυναμικής
Ο «νόμος μηδέν» εκφράζεται λογικά ως εξής: αν A = C και B = C, τότε A = B.
Η θερμοδυναμική διέπεται από αυτό που καθιερώνεται στις τέσσερις θεμελιώδεις αρχές ή νόμους της, που διατυπώθηκαν από διάφορους επιστήμονες σε όλη την ιστορία αυτού πειθαρχία. Οι εν λόγω αρχές ή νόμοι είναι:
- Πρώτη αρχή, ή Νόμος διατήρησης της ενέργειας. Δηλώνει ότι η συνολική ποσότητα ενέργειας σε οποιοδήποτε φυσικό σύστημα που απομονώνεται από το περιβάλλον του θα είναι πάντα η ίδια, αν και μπορεί να μετατραπεί από μια μορφή ενέργειας σε πολλές διαφορετικές. Με λιγότερα λόγια: «Η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, μόνο να μεταμορφωθεί».
- Τρίτη Αρχή, ή Νόμος του Απόλυτου Μηδέν. Υπαγορεύει ότι η εντροπία ενός συστήματος που φέρεται στο απόλυτο μηδέν θα είναι πάντα μια καθορισμένη σταθερά. Αυτό σημαίνει ότι όταν φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν (-273,15 ° C ή 0 K), οι διαδικασίες των φυσικών συστημάτων σταματούν και η εντροπία έχει μια σταθερή ελάχιστη τιμή.
- Μηδενική αρχή ή νόμος της θερμικής ισορροπίας. Ονομάζεται «μηδενικός νόμος» γιατί, αν και ήταν ο τελευταίος που τέθηκε σε εφαρμογή, οι βασικές και θεμελιώδεις αρχές που θεσπίζει υπερισχύουν των άλλων τριών νόμων. Υπαγορεύει ότι «αν υπάρχουν δύο συστήματα θερμική ισορροπία ανεξάρτητα με ένα τρίτο σύστημα, πρέπει επίσης να βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους».
Χημική θερμοδυναμική
Η χημική θερμοδυναμική είναι ένα ξεχωριστό πεδίο μελέτης, που επικεντρώνεται στη συσχέτιση μεταξύ θερμότητας και εργασίας, και χημικές αντιδράσεις, όλα πλαισιωμένα σε αυτό που καθορίζεται από τις αρχές της θερμοδυναμικής. Δηλαδή, πρόκειται για την εφαρμογή των νόμων της θερμοδυναμικής, ειδικά των δύο πρώτων, στον κόσμο των αντιδράσεων μεταξύ ουσιών και ενώσεις, προκειμένου να ληφθούν οι λεγόμενες «θεμελιώδεις εξισώσεις Gibbs», οι οποίες διέπουν τον τρόπο με τον οποίο η χημική ενέργεια που περιέχονται στις διάφορες ενώσεις αλλάζει και μεταδίδεται, ή πώς ο βαθμός εντροπίας του σύμπαν κάθε φορά που εμφανίζεται μια αυθόρμητη αντίδραση.