Sejak sekian lama, ahli fizik dan wakil sains lain mempunyai cara untuk menerangkan perkara yang mereka perhatikan semasa menjalankan eksperimen mereka. Kekurangan konsensus dan kehadiran sejumlah besar istilah yang diambil "secara tiba-tiba" menyebabkan kekeliruan dan salah faham di kalangan rakan sekerja. Dari masa ke masa, setiap cabang fizik memperoleh definisi dan unit ukuran yang ditetapkan. Beginilah cara parameter termodinamik muncul, menerangkan kebanyakan perubahan makroskopik dalam sistem.
Definisi
Parameter keadaan, atau parameter termodinamik, ialah beberapa kuantiti fizik yang bersama-sama dan setiap satunya boleh mencirikan sistem yang diperhatikan. Ini termasuk konsep seperti:
- suhu dan tekanan;
- kepekatan, aruhan magnet;
- entropi;
- enthalpy;
- Tenaga Gibbs dan Helmholtz dan banyak lagi.
Pilih parameter intensif dan ekstensif. Luas ialah yang bergantung secara langsung kepada jisim sistem termodinamik, danintensif - yang ditentukan oleh kriteria lain. Tidak semua parameter adalah sama bebas, oleh itu, untuk mengira keadaan keseimbangan sistem, adalah perlu untuk menentukan beberapa parameter sekaligus.
Selain itu, terdapat beberapa perselisihan istilah dalam kalangan ahli fizik. Ciri fizikal yang sama boleh dipanggil oleh pengarang yang berbeza sama ada proses, atau koordinat, atau kuantiti, atau parameter, atau malah hanya harta. Semuanya bergantung pada kandungan di mana saintis menggunakannya. Tetapi dalam beberapa kes, terdapat pengesyoran piawai yang mesti dipatuhi penggubal dokumen, buku teks atau pesanan.
Klasifikasi
Terdapat beberapa klasifikasi parameter termodinamik. Jadi, berdasarkan perenggan pertama, sudah diketahui bahawa semua kuantiti boleh dibahagikan kepada:
- ekstensif (tambahan) - bahan tersebut mematuhi hukum penambahan, iaitu nilainya bergantung pada bilangan bahan;
- tegang - mereka tidak bergantung pada berapa banyak bahan yang diambil untuk tindak balas, kerana ia diselaraskan semasa interaksi.
Berdasarkan keadaan di mana bahan yang membentuk sistem berada, kuantiti boleh dibahagikan kepada yang menerangkan tindak balas fasa dan tindak balas kimia. Di samping itu, sifat bahan tindak balas mesti diambil kira. Mereka boleh menjadi:
- termomekanikal;
- termofizik;
- termokimia.
Selain itu, mana-mana sistem termodinamik menjalankan fungsi tertentu, jadi parameter bolehmencirikan kerja atau haba yang dihasilkan sebagai hasil tindak balas, dan juga membolehkan anda mengira tenaga yang diperlukan untuk memindahkan jisim zarah.
Pembolehubah Keadaan
Keadaan mana-mana sistem, termasuk termodinamik, boleh ditentukan dengan gabungan sifat atau cirinya. Semua pembolehubah yang ditentukan sepenuhnya hanya pada masa tertentu dan tidak bergantung pada bagaimana sebenarnya sistem datang ke keadaan ini dipanggil parameter keadaan termodinamik (pembolehubah) atau fungsi keadaan.
Sistem ini dianggap pegun jika fungsi pembolehubah tidak berubah dari semasa ke semasa. Satu versi keadaan mantap ialah keseimbangan termodinamik. Mana-mana, walaupun perubahan terkecil dalam sistem, sudah pun satu proses, dan ia boleh mengandungi daripada satu hingga beberapa parameter keadaan termodinamik berubah-ubah. Urutan di mana keadaan sistem secara berterusan beralih antara satu sama lain dipanggil "laluan proses".
Malangnya, masih terdapat kekeliruan dengan istilah, kerana pembolehubah yang sama boleh menjadi bebas dan hasil penambahan beberapa fungsi sistem. Oleh itu, istilah seperti "fungsi keadaan", "parameter keadaan", "pembolehubah keadaan" boleh dianggap sebagai sinonim.
Suhu
Salah satu parameter bebas bagi keadaan sistem termodinamik ialah suhu. Ia adalah nilai yang mencirikan jumlah tenaga kinetik per unit zarah dalamsistem termodinamik dalam keseimbangan.
Jika kita mendekati definisi konsep dari sudut termodinamik, maka suhu adalah nilai yang berkadar songsang dengan perubahan entropi selepas menambah haba (tenaga) kepada sistem. Apabila sistem berada dalam keseimbangan, nilai suhu adalah sama untuk semua "peserta"nya. Jika terdapat perbezaan suhu, maka tenaga dikeluarkan oleh badan yang lebih panas dan diserap oleh badan yang lebih sejuk.
Terdapat sistem termodinamik di mana apabila tenaga ditambah, gangguan (entropi) tidak bertambah, sebaliknya berkurangan. Di samping itu, jika sistem sedemikian berinteraksi dengan jasad yang suhunya lebih tinggi daripada suhunya sendiri, maka ia akan menyerahkan tenaga kinetiknya kepada jasad ini, dan bukan sebaliknya (berdasarkan undang-undang termodinamik).
Tekanan
Tekanan ialah kuantiti yang mencirikan daya yang bertindak ke atas jasad, berserenjang dengan permukaannya. Untuk mengira parameter ini, adalah perlu untuk membahagikan keseluruhan jumlah daya dengan luas objek. Unit daya ini ialah pascal.
Dalam kes parameter termodinamik, gas menduduki keseluruhan isipadu yang tersedia untuknya, dan, sebagai tambahan, molekul yang membentuknya sentiasa bergerak secara rawak dan berlanggar antara satu sama lain dan dengan kapal di mana ia berada.. Kesan inilah yang menentukan tekanan bahan pada dinding kapal atau pada badan yang diletakkan di dalam gas. Daya merambat secara sama rata ke semua arah dengan tepat kerana perkara yang tidak dapat diramalkanpergerakan molekul. Untuk meningkatkan tekanan, anda mesti meningkatkan suhu sistem, dan sebaliknya.
Tenaga dalaman
Parameter termodinamik utama yang bergantung pada jisim sistem termasuk tenaga dalaman. Ia terdiri daripada tenaga kinetik akibat pergerakan molekul bahan, serta tenaga potensi yang muncul apabila molekul berinteraksi antara satu sama lain.
Parameter ini tidak jelas. Iaitu, nilai tenaga dalaman adalah malar apabila sistem berada dalam keadaan yang dikehendaki, tidak kira dari mana ia (keadaan) dicapai.
Adalah mustahil untuk mengubah tenaga dalaman. Ia adalah jumlah haba yang dikeluarkan oleh sistem dan kerja yang dihasilkannya. Untuk sesetengah proses, parameter lain diambil kira, seperti suhu, entropi, tekanan, potensi dan bilangan molekul.
Entropi
Hukum kedua termodinamik menyatakan bahawa entropi sistem terpencil tidak berkurangan. Formulasi lain menyatakan bahawa tenaga tidak pernah berpindah dari badan dengan suhu yang lebih rendah kepada yang lebih panas. Ini, seterusnya, menafikan kemungkinan mencipta mesin gerakan kekal, kerana adalah mustahil untuk memindahkan semua tenaga yang ada kepada badan ke dalam kerja.
Konsep "entropi" telah diperkenalkan untuk digunakan pada pertengahan abad ke-19. Kemudian ia dianggap sebagai perubahan dalam jumlah haba kepada suhu sistem. Tetapi definisi ini hanya terpakai untukproses yang sentiasa berada dalam keseimbangan. Daripada ini kita boleh membuat kesimpulan berikut: jika suhu badan yang membentuk sistem cenderung kepada sifar, maka entropi juga akan sama dengan sifar.
Entropi sebagai parameter termodinamik keadaan gas digunakan sebagai petunjuk ukuran rawak, rawak pergerakan zarah. Ia digunakan untuk menentukan taburan molekul dalam kawasan dan kapal tertentu, atau untuk mengira daya elektromagnet interaksi antara ion bahan.
Entalpi
Entalpi ialah tenaga yang boleh ditukar kepada haba (atau kerja) pada tekanan tetap. Ini ialah potensi sistem yang berada dalam keseimbangan jika penyelidik mengetahui tahap entropi, bilangan molekul dan tekanan.
Jika parameter termodinamik bagi gas ideal ditunjukkan, bukannya entalpi, perkataan "tenaga sistem lanjutan" digunakan. Untuk memudahkan untuk menerangkan nilai ini kepada diri kita sendiri, kita boleh bayangkan sebuah kapal yang diisi dengan gas, yang dimampatkan secara seragam oleh omboh (contohnya, enjin pembakaran dalaman). Dalam kes ini, entalpi akan sama bukan sahaja dengan tenaga dalaman bahan, tetapi juga dengan kerja yang mesti dilakukan untuk membawa sistem ke keadaan yang diperlukan. Menukar parameter ini hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem, dan cara ia akan diterima tidak penting.
Gibbs Energy
Parameter dan proses termodinamik, sebahagian besarnya, dikaitkan dengan potensi tenaga bahan yang membentuk sistem. Oleh itu, tenaga Gibbs adalah bersamaan dengan jumlah tenaga kimia sistem. Ia menunjukkan perubahan yang akan berlaku semasa tindak balas kimia dan sama ada bahan akan berinteraksi sama sekali.
Menukar jumlah tenaga dan suhu sistem semasa proses tindak balas memberi kesan kepada konsep seperti entalpi dan entropi. Perbezaan antara kedua-dua parameter ini akan dipanggil tenaga Gibbs atau potensi isobarik-isoterma.
Nilai minimum tenaga ini diperhatikan jika sistem berada dalam keseimbangan, dan tekanan, suhu dan jumlah jirimnya kekal tidak berubah.
Helmholtz Energy
Tenaga Helmholtz (mengikut sumber lain - hanya tenaga bebas) ialah jumlah potensi tenaga yang akan hilang oleh sistem apabila berinteraksi dengan badan yang tidak termasuk di dalamnya.
Konsep tenaga bebas Helmholtz sering digunakan untuk menentukan kerja maksimum yang boleh dilakukan oleh sistem, iaitu, berapa banyak haba yang dibebaskan apabila bahan berubah dari satu keadaan ke keadaan yang lain.
Jika sistem berada dalam keadaan keseimbangan termodinamik (iaitu, ia tidak melakukan apa-apa kerja), maka tahap tenaga bebas adalah pada tahap minimum. Ini bermakna menukar parameter lain, seperti suhu,tekanan, bilangan zarah juga tidak berlaku.
