Dugo vremena, fizičari i predstavnici drugih nauka imali su način da opisuju ono što opažaju tokom svojih eksperimenata. Nedostatak konsenzusa i prisustvo velikog broja pojmova izvučenih „iz vedra neba“doveli su do zabune i nesporazuma među kolegama. Vremenom je svaka grana fizike dobila svoje ustaljene definicije i mjerne jedinice. Ovako su se pojavili termodinamički parametri koji objašnjavaju većinu makroskopskih promjena u sistemu.
Definicija
Parametri stanja, ili termodinamički parametri, su brojne fizičke veličine koje zajedno i svaka zasebno mogu karakterizirati posmatrani sistem. Ovo uključuje koncepte kao što su:
- temperatura i pritisak;
- koncentracija, magnetna indukcija;
- entropija;
- enthalpy;
- Gibbsove i Helmholtzove energije i mnoge druge.
Odaberite intenzivne i ekstenzivne parametre. Ekstenzivne su one koje direktno zavise od mase termodinamičkog sistema, iintenzivni - koji se određuju drugim kriterijumima. Nisu svi parametri podjednako nezavisni, stoga je za izračunavanje ravnotežnog stanja sistema potrebno odrediti nekoliko parametara odjednom.
Pored toga, postoje neka terminološka neslaganja među fizičarima. Istu fizičku karakteristiku različiti autori mogu nazvati ili procesom, ili koordinatom, ili količinom, ili parametrom, ili čak samo svojstvom. Sve zavisi od sadržaja u kojem ga naučnik koristi. Ali u nekim slučajevima postoje standardizovane preporuke kojih se sastavljači dokumenata, udžbenika ili naredbi moraju pridržavati.
Klasifikacija
Postoji nekoliko klasifikacija termodinamičkih parametara. Dakle, na osnovu prvog paragrafa, već je poznato da se sve količine mogu podijeliti na:
- extensive (aditiv) - takve supstance poštuju zakon adicije, odnosno njihova vrijednost ovisi o broju sastojaka;
- intenzivne - ne zavise od toga koliko je supstanci uzeto za reakciju, budući da su poravnate tokom interakcije.
Na osnovu uslova pod kojima se nalaze supstance koje čine sistem, količine se mogu podeliti na one koje opisuju fazne reakcije i hemijske reakcije. Osim toga, moraju se uzeti u obzir svojstva reaktanata. Mogu biti:
- termomehanički;
- termofizički;
- termohemijska.
Osim ovoga, svaki termodinamički sistem obavlja određenu funkciju, tako da parametri mogukarakterizira rad ili toplinu proizvedenu kao rezultat reakcije, a također vam omogućava da izračunate energiju potrebnu za prijenos mase čestica.
Varijable stanja
Stanje bilo kojeg sistema, uključujući termodinamički, može se odrediti kombinacijom njegovih svojstava ili karakteristika. Sve varijable koje su u potpunosti određene samo u određenom trenutku i ne zavise od toga kako je tačno sistem došao u ovo stanje nazivaju se termodinamički parametri stanja (varijable) ili funkcije stanja.
Sistem se smatra stacionarnim ako se promenljive funkcije ne menjaju tokom vremena. Jedna verzija stabilnog stanja je termodinamička ravnoteža. Svaka, čak i najmanja promjena u sistemu, već je proces, i može sadržavati od jednog do nekoliko promjenjivih parametara termodinamičkog stanja. Slijed u kojem stanja sistema kontinuirano prelaze jedno u drugo naziva se "put procesa".
Nažalost, još uvijek postoji zabuna s terminima, jer ista varijabla može biti i nezavisna i rezultat dodavanja nekoliko sistemskih funkcija. Stoga se pojmovi kao što su "funkcija stanja", "parametar stanja", "varijabla stanja" mogu smatrati sinonimima.
Temperatura
Jedan od nezavisnih parametara stanja termodinamičkog sistema je temperatura. To je vrijednost koja karakterizira količinu kinetičke energije po jedinici čestica utermodinamički sistem u ravnoteži.
Ako pristupimo definiciji koncepta sa stajališta termodinamike, tada je temperatura vrijednost obrnuto proporcionalna promjeni entropije nakon dodavanja topline (energije) sistemu. Kada je sistem u ravnoteži, vrijednost temperature je ista za sve njegove "učesnike". Ako postoji temperaturna razlika, tada toplije tijelo odaje energiju i apsorbira je hladnije.
Postoje termodinamički sistemi u kojima kada se doda energija, nered (entropija) ne raste, već se smanjuje. Osim toga, ako takav sistem stupi u interakciju s tijelom čija je temperatura veća od njegove vlastite, tada će on predati svoju kinetičku energiju ovom tijelu, a ne obrnuto (na osnovu zakona termodinamike).
Pritisak
Pritisak je veličina koja karakteriše silu koja deluje na telo, okomito na njegovu površinu. Da biste izračunali ovaj parametar, potrebno je cijelu količinu sile podijeliti s površinom objekta. Jedinice ove sile će biti paskali.
U slučaju termodinamičkih parametara, plin zauzima cjelokupnu zapreminu koja mu je dostupna, a osim toga, molekuli koji ga čine stalno se nasumično kreću i sudaraju jedni s drugima i sa posudom u kojoj se nalaze. Upravo ovi udari određuju pritisak supstance na zidove posude ili na telo koje se nalazi u gasu. Sila se širi podjednako u svim pravcima upravo zbog nepredvidivogmolekularna kretanja. Da biste povećali pritisak, morate povećati temperaturu sistema, i obrnuto.
Unutarnja energija
Glavni termodinamički parametri koji zavise od mase sistema uključuju unutrašnju energiju. Sastoji se od kinetičke energije zbog kretanja molekula supstance, kao i od potencijalne energije koja se pojavljuje kada molekuli međusobno djeluju.
Ovaj parametar je nedvosmislen. Odnosno, vrijednost unutrašnje energije je konstantna kad god je sistem u željenom stanju, bez obzira na to na koji način je (stanje) postignuto.
Nemoguće je promijeniti unutrašnju energiju. To je zbir toplote koju odaje sistem i rada koji on proizvodi. Za neke procese, drugi parametri se uzimaju u obzir, kao što su temperatura, entropija, pritisak, potencijal i broj molekula.
Entropija
Drugi zakon termodinamike kaže da se entropija izolovanog sistema ne smanjuje. Druga formulacija postulira da energija nikada ne prelazi sa tijela s nižom temperaturom na toplije. Ovo, pak, negira mogućnost stvaranja vječnog motora, jer je nemoguće svu energiju koja je dostupna tijelu prenijeti u rad.
Sam koncept "entropije" uveden je u upotrebu sredinom 19. veka. Tada je to percipirano kao promjena količine topline u odnosu na temperaturu sistema. Ali ova definicija se odnosi samo naprocesi koji su stalno u ravnoteži. Iz ovoga možemo izvući sljedeći zaključak: ako temperatura tijela koja čine sistem teži nuli, onda će i entropija biti jednaka nuli.
Entropija kao termodinamički parametar stanja gasa se koristi kao indikacija mere slučajnosti, slučajnosti kretanja čestica. Koristi se za određivanje distribucije molekula u određenom području i posudi, ili za izračunavanje elektromagnetske sile interakcije između jona neke supstance.
Enthalpija
Entalpija je energija koja se može pretvoriti u toplotu (ili rad) pri konstantnom pritisku. Ovo je potencijal sistema koji je u ravnoteži ako istraživač zna nivo entropije, broj molekula i pritisak.
Ako je naznačen termodinamički parametar idealnog gasa, umjesto entalpije, koristi se izraz "energija proširenog sistema". Kako bismo sebi lakše objasnili ovu vrijednost, možemo zamisliti posudu napunjenu plinom, koji je jednoliko komprimiran klipom (na primjer, motor s unutarnjim sagorijevanjem). U ovom slučaju, entalpija će biti jednaka ne samo unutrašnjoj energiji tvari, već i radu koji se mora obaviti da se sistem dovede u traženo stanje. Promjena ovog parametra zavisi samo od početnog i konačnog stanja sistema, a način na koji će biti primljen nije bitan.
Gibbs Energy
Termodinamički parametri i procesi, uglavnom, povezani su sa energetskim potencijalom supstanci koje čine sistem. Dakle, Gibbsova energija je ekvivalent ukupne hemijske energije sistema. Pokazuje koje će se promjene dogoditi u toku kemijskih reakcija i hoće li tvari uopće stupati u interakciju.
Promena količine energije i temperature sistema tokom reakcije utiče na koncepte kao što su entalpija i entropija. Razlika između ova dva parametra će se zvati Gibbsova energija ili izobarično-izotermalni potencijal.
Minimalna vrijednost ove energije se posmatra ako je sistem u ravnoteži, a njegov pritisak, temperatura i količina materije ostaju nepromijenjeni.
Helmholtz Energy
Helmholtzova energija (prema drugim izvorima - samo besplatna energija) je potencijalna količina energije koju će sistem izgubiti pri interakciji sa tijelima koja nisu uključena u njega.
Koncept Helmholtzove slobodne energije se često koristi za određivanje maksimalnog rada koji sistem može obaviti, to jest, koliko toplote se oslobađa kada se supstance prelaze iz jednog stanja u drugo.
Ako je sistem u stanju termodinamičke ravnoteže (tj. ne radi nikakav rad), tada je nivo slobodne energije na minimumu. To znači da promjena drugih parametara, kao što je temperatura,pritisak, broj čestica se takođe ne javlja.
