Strana 1

Termodynamick? syst?m, stejn? jako jak?koli jin? fyzik?ln? syst?m, m? ur?it? mno?stv? energie, kter? se obvykle naz?v? vnit?n? energie syst?mu.

Termodynamick? syst?m se naz?v? izolovan?, pokud si nem??e vym??ovat energii ani hmotu s okol?m. P??kladem takov?ho syst?mu je plyn uzav?en? v n?dob? o konstantn?m objemu. Termodynamick? syst?m se naz?v? adiabatick?, pokud si nem??e vym??ovat energii s jin?mi syst?my prost?ednictv?m p?enosu tepla.

Termodynamick? syst?m je soubor t?les, kter? si do t? ?i on? m?ry mohou vym??ovat energii a hmotu mezi sebou a prost?ed?m.

Termodynamick? syst?my se d?l? na uzav?en? syst?my, kter? nevym??uj? hmotu s jin?mi syst?my, a otev?en? syst?my, kter? s jin?mi syst?my vym??uj? hmotu a energii. V p??padech, kdy si syst?m nevym??uje energii a hmotu s jin?mi syst?my, se naz?v? izolovan?, a kdy? nedoch?z? k p?enosu tepla, syst?m se naz?v? adiabatick?.

Termodynamick? syst?my se mohou skl?dat ze sm?s? ?ist?ch l?tek. Sm?s (roztok) se naz?v? homogenn?, kdy? chemick? slo?en? a fyzik?ln? vlastnosti v jak?chkoli mal?ch ??stic?ch jsou stejn? nebo se plynule m?n? z jednoho bodu syst?mu do druh?ho. Hustota, tlak a teplota homogenn? sm?si jsou v ka?d?m bod? toto?n?. P??kladem homogenn?ho syst?mu je ur?it? objem vody, jej?? chemick? slo?en? je stejn?, ale fyzik?ln? vlastnosti se m?n? z jednoho bodu do druh?ho.

Termodynamick? syst?m s ur?it?m kvantitativn?m pom?rem slo?ek se naz?v? jedin? fyzik?ln?-chemick? syst?m.

Termodynamick? syst?my (makroskopick? t?lesa) maj? spolu s mechanickou energi? E tak? vnit?n? energii U, kter? z?vis? na teplot?, objemu, tlaku a dal??ch termodynamick?ch parametrech.

Termodynamick? syst?m se naz?v? neizolovan? nebo neuzav?en?, pokud m??e p?ij?mat nebo vyd?vat teplo do okol? a vykon?vat pr?ci a vn?j?? prost?ed? m??e na syst?mu pracovat. Syst?m je izolovan? nebo uzav?en?, pokud nedoch?z? k v?m?n? tepla s okol?m a zm?na tlaku uvnit? syst?mu neovliv?uje prost?ed? a to nem??e v syst?mu pracovat.

Termodynamick? syst?my se skl?daj? ze statisticky velk?ho po?tu ??stic.

Termodynamick? syst?m za ur?it?ch vn?j??ch podm?nek (nebo izolovan? syst?m) se dost?v? do stavu charakterizovan?ho st?lost? jeho parametr? v ?ase a absenc? tok? hmoty a tepla v syst?mu. Tento stav syst?mu se naz?v? rovnov??n? nebo rovnov??n? stav. Syst?m nem??e z tohoto stavu spont?nn? vystoupit. Stav syst?mu, ve kter?m nen? rovnov?ha, se naz?v? nerovnov??n?. Proces postupn?ho p?echodu syst?mu z nerovnov??n?ho stavu, zp?soben?ho vn?j??mi vlivy, do stavu rovnov?hy se naz?v? relaxace a ?asov? interval, za kter? se syst?m vr?t? do rovnov??n?ho stavu, se naz?v? relaxa?n? ?as.

Termodynamick? syst?m v tomto p??pad? vykon?v? pr?ci expanze sn??en?m vnit?n? energie syst?mu.

Termodynamick? syst?m je p?edm?tem studia v termodynamice a je souborem t?les, kter? energeticky interaguj? mezi sebou navz?jem as prost?ed?m a vym??uj? si s n?m hmotu.

Termodynamick? syst?m, ponechan? s?m sob? za st?l?ch vn?j??ch podm?nek, se dost?v? do stavu rovnov?hy, charakterizovan?ho st?lost? v?ech parametr? a absenc? makroskopick?ch pohyb?. Tento stav soustavy se naz?v? stav termodynamick? rovnov?hy.

Termodynamick? syst?m je charakterizov?n kone?n?m po?tem nez?visl?ch prom?nn?ch - makroskopick?ch veli?in naz?van?ch termodynamick? parametry. Jedn?m z nez?visl?ch makroskopick?ch parametr? termodynamick?ho syst?mu, kter? jej odli?uje od mechanick?ho syst?mu, je teplota jako m?ra intenzity tepeln?ho pohybu. T?lesn? teplota se m??e m?nit v d?sledku v?m?ny tepla s okol?m a p?soben?m zdroj? tepla a v d?sledku samotn?ho deforma?n?ho procesu. Vztah mezi deformac? a teplotou je stanoven pomoc? termodynamiky.

Termodynamika je v?da, kter? studuje tepeln? jevy vyskytuj?c? se v t?lesech, ani? by je spojovala s molekul?rn? strukturou hmoty.

V termodynamice se m? za to v?echny tepeln? d?je v t?lesech jsou charakterizov?ny pouze makroskopick?mi parametry- tlak, objem a teplota. A proto?e je nelze aplikovat na jednotliv? molekuly nebo atomy, pak se na rozd?l od molekul?rn?-kinetick? teorie v termodynamice nebere v ?vahu molekul?rn? struktura l?tky v tepeln?ch procesech.

V?echny pojmy termodynamiky jsou formulov?ny jako zobecn?n? fakt? pozorovan?ch v pr?b?hu experiment?. Kv?li tomu se naz?v? fenomenologick? (deskriptivn?) teorie tepla.

Termodynamick? syst?my

Termodynamika popisuje tepeln? procesy prob?haj?c? v makroskopick?ch syst?mech. Takov? syst?my se skl?daj? z obrovsk?ho mno?stv? ??stic – molekul a atom? a naz?vaj? se termodynamick?.

termodynamick? syst?m lze pova?ovat jak?koli p?edm?t, kter? lze vid?t pouh?m okem nebo pomoc? mikroskop?, dalekohled? a dal??ch optick?ch p??stroj?. Hlavn? je, ?e rozm?ry syst?mu v prostoru a doba jeho existence umo??uj? m??it jeho parametry - teplotu, tlak, hmotnost, chemick? slo?en? prvk? atd., pomoc? p??stroj?, kter? nereaguj? na vliv jednotliv? molekuly (manometry, teplom?ry atd.).

Pro chemiky je termodynamick? syst?m sm?s? chemik?li?, kter? se vz?jemn? ovliv?uj? b?hem chemick? reakce. Astrofyzici budou takov? syst?m naz?vat nebesk?m t?lesem. Sm?s paliva a vzduchu v motoru automobilu, zem?koule, na?e t?lo, psac? pero, notebook, obr?b?c? stroj atd. jsou tak? termodynamick? syst?my.

Ka?d? termodynamick? syst?m je odd?len od prost?ed? hranicemi. Mohou b?t skute?n? - sklen?n? st?ny zkumavky s chemik?li?, t?lo v?lce v motoru atd. A mohou b?t podm?n?n?, kdy? nap??klad studuj? vznik oblaku v atmosf??e.

Pokud si takov? syst?m nevym??uje ani energii, ani hmotu s okol?m, pak se naz?v? izolovan? nebo ZAV?ENO .

Pokud syst?m vym??uje energii s vn?j??m prost?ed?m, ale nevym??uje hmotu, pak se naz?v? ZAV?ENO .

otev?en? syst?m vym??uje energii a hmotu s okol?m.

Termodynamick? rovnov?ha

Tento koncept je tak? zaveden do termodynamiky jako zobecn?n? experiment?ln?ch v?sledk?.

Termodynamick? rovnov?ha naz?v? se takov? stav syst?mu, ve kter?m se v?echny jeho makroskopick? veli?iny - teplota, tlak, objem a entropie - v ?ase nem?n?, pokud je syst?m izolovan?. Do takov?ho stavu m??e spont?nn? p?ej?t jak?koli uzav?en? termodynamick? syst?m, pokud v?echny vn?j?? parametry z?stanou konstantn?.

Nejjednodu???m p??kladem syst?mu v termodynamick? rovnov?ze je termoska s hork?m ?ajem. Teplota v n?m je v ka?d?m bod? kapaliny stejn?. I kdy? termosku lze nazvat izolovan?m syst?mem jen p?ibli?n?.

Jak?koli uzav?en? termodynamick? syst?m m? spont?nn? tendenci p?ej?t do termodynamick? rovnov?hy, pokud se vn?j?? parametry nem?n?.

Termodynamick? proces

Pokud se zm?n? alespo? jeden z makroskopick?ch parametr?, pak ??kaj?, ?e syst?m je termodynamick? proces . K takov?mu procesu m??e doj?t, pokud se zm?n? vn?j?? parametry nebo syst?m za?ne energii p?ij?mat ?i vys?lat. V d?sledku toho p?ejde do jin?ho stavu.

Vezm?me si p??klad ?aje v termosce. Pokud do ?aje pono??me kousek ledu a termosku zav?eme, tak okam?it? dojde k rozd?lu teplot v r?zn?ch ??stech tekutiny. Kapalina v termosce bude m?t tendenci vyrovn?vat teploty. Z oblast? s vy??? teplotou se teplo p?enese tam, kde je teplota ni???. To znamen?, ?e dojde k termodynamick?mu procesu. Nakonec bude teplota ?aje v termosce op?t stejn?. U? se ale bude li?it od po??te?n? teploty. Stav syst?mu se zm?nil, proto?e se zm?nila jeho teplota.

K termodynamick?mu procesu doch?z?, kdy? se p?sek nah??t? na pl??i v hork?m dni v noci ochlad?. Do r?na mu teplota kles?. Jakmile ale vyjde slunce, proces oh?evu se znovu spust?.

Vnit?n? energie

Jedn?m z hlavn?ch pojm? termodynamiky je vnit?n? energie .

V?echna makroskopick? t?lesa maj? vnit?n? energii, kter? je sou?tem kinetick?ch a potenci?ln?ch energi? v?ech ??stic (atom? a molekul), kter? tvo?? t?leso. Tyto ??stice interaguj? pouze mezi sebou a neinteraguj? s ??sticemi prost?ed?. Vnit?n? energie z?vis? na kinetick? a potenci?ln? energii ??stic a nez?vis? na poloze samotn?ho t?lesa.

U = E k + E p

Vnit?n? energie se m?n? s teplotou. Molekul?rn? kinetick? teorie to vysv?tluje zm?nou rychlosti pohybu ??stic hmoty. Pokud teplota t?la stoup?, zvy?uje se rychlost pohybu ??stic, vzd?lenost mezi nimi se zv?t?uje. V d?sledku toho se zvy?uje jejich kinetick? a potenci?ln? energie. Kdy? teplota klesne, dojde k opa?n?mu procesu.

Pro termodynamiku nen? d?le?it?j?? hodnota vnit?n? energie, ale jej? zm?na. A m??ete zm?nit vnit?n? energii pomoc? procesu p?enosu tepla nebo pomoc? mechanick? pr?ce.

Zm?na vnit?n? energie mechanickou prac?

Benjamin Rumford

Vnit?n? energie t?lesa m??e b?t zm?n?na t?m, ?e se na n?m provede mechanick? pr?ce. Pokud se na t?le pracuje, pak se mechanick? energie p?em??uje na vnit?n? energii. A pokud pr?ci vykon? t?lo, pak se jeho vnit?n? energie p?em?n? na energii mechanickou.

T?m?? do konce 19. stolet? se v??ilo, ?e existuje nep?ebern? l?tka – kalorick? l?tka, kter? p?en??? teplo z t?la do t?la. ??m v?ce kalori? do t?la p?ite?e, t?m bude teplej?? a naopak.

V roce 1798 v?ak anglo-americk? v?dec hrab? Benjamin Rumford za?al pochybovat o kalorick? teorii. D?vodem bylo zah??v?n? hlavn? d?l p?i vrt?n?. Navrhl, ?e p???inou zah??v?n? je mechanick? pr?ce, kter? se prov?d? p?i t?en? vrt?ku o hlave?.

A Rumfoord provedl experiment. Pro zv??en? t?ec? s?ly vzali tup? vrt?k a samotn? sud byl um?st?n do sudu s vodou. Na konci t?et? hodiny vrt?n? se voda v sudu za?ala va?it. To znamenalo, ?e hlave? p?i mechanick? pr?ci dost?vala teplo.

P?enos tepla

p?enos tepla naz?v? se fyzik?ln? proces p?enosu tepeln? energie (tepla) z jednoho t?lesa do druh?ho, a to bu? p??m?m kontaktem, nebo p?es odd?lovac? p?ep??ku. Teplo se zpravidla p?en??? z teplej??ho t?lesa na chladn?j??. Tento proces kon??, kdy? se syst?m dostane do stavu termodynamick? rovnov?hy.

Energie, kterou t?leso p?ij?m? nebo vyd?v? p?i p?enosu tepla, se naz?v? mno?stv? tepla .

Podle zp?sobu p?enosu tepla lze p?enos tepla rozd?lit na 3 typy: tepeln? vodivost, konvence, tepeln? z??en?.

Tepeln? vodivost

Pokud je mezi t?lesy nebo ??stmi t?les teplotn? rozd?l, dojde mezi nimi k procesu p?enosu tepla. tepeln? vodivost naz?v? se proces p?enosu vnit?n? energie z v?ce zah??t?ho t?lesa (nebo jeho ??sti) do m?n? zah??t?ho t?lesa (nebo jeho ??sti).

Nap??klad zah??t?m jednoho konce ocelov? ty?e v ohni po chv?li poc?t?me, ?e se zah??v? i jej? druh? konec.

Sklen?nou ty?inku, jej?? jeden konec je hork?, snadno dr??me za druh? konec, ani? bychom se sp?lili. Pokud se ale pokus?me prov?st stejn? experiment se ?eleznou ty??, neusp?jeme.

R?zn? l?tky vedou teplo r?zn?. Ka?d? z nich m? sv?j vlastn? sou?initel tepeln? vodivosti nebo vodivost, ??seln? rovn? mno?stv? tepla, kter? projde vzorkem o tlou??ce 1 m o plo?e 1 m 2 za 1 sekundu. 1 K se bere jako jednotka teploty.

Kovy nejl?pe vedou teplo. To je jejich vlastnost, kterou vyu??v?me v ka?dodenn?m ?ivot?, va?en? v kovov?ch hrnc?ch nebo p?nv?ch. Jejich rukojeti by se ale nem?ly zah??vat. Proto jsou vyrobeny z materi?l? se ?patnou tepelnou vodivost?.

Tepeln? vodivost kapalin je ni???. A plyny maj? ?patnou tepelnou vodivost.

Zv??ec? srst je tak? ?patn?m vodi?em tepla. D?ky tomu se v hork?m po?as? nep?eh??vaj? a v chladn?m po?as? nenamrzaj?.

Konvence

S konvenc? se teplo p?en??? tryskami a proudy plynu nebo kapaliny. V pevn?ch l?tk?ch neexistuje ??dn? konvence.

Jak vznik? konvence v kapalin?? Kdy? na ohe? postav?me konvici s vodou, spodn? vrstva kapaliny se zah?eje, jej? hustota se sn???, posune se nahoru. Jeho m?sto zauj?m? chladn?j?? vrstva vody. Po n?jak? dob? se tak? zah?eje a tak? vym?n? m?sta s chladn?j?? vrstvou. Atd.

Podobn? proces prob?h? v plynech. Nen? n?hodou, ?e topn? baterie jsou um?st?ny ve spodn? ??sti m?stnosti. Oh??t? vzduch toti? v?dy stoup? nahoru do m?stnosti. A ta spodn?, studen? naopak pad?. Pot? se tak? zah??v? a znovu stoup?, zat?mco horn? vrstva se b?hem t?to doby ochlazuje a kles?.

?mluva je p?irozen? a vynucen?.

V atmosf??e neust?le prob?h? p??rodn? konvence. V d?sledku toho doch?z? k neust?l?m pohyb?m tepl?ch vzduchov?ch mas nahoru a studen?ch - dol?. V?sledkem je v?tr, mraky a dal?? p??rodn? jevy.

Kdy? p?irozen? konvence nesta??, pou?iji vynucenou konvenci. Nap??klad tepl? vzduch proud? v m?stnosti pomoc? lopatek ventil?toru.

tepeln? z??en?

Slunce oh??v? zemi. Nen? zde ??dn? p?enos tepla ani konvence. Pro? se tedy t?la zah??vaj??

Faktem je, ?e Slunce je zdrojem tepeln?ho z??en?.

tepeln? z??en? je elektromagnetick? z??en?, kter? vznik? v d?sledku vnit?n? energie t?la. V?echna t?lesa kolem n?s vyza?uj? tepelnou energii. M??e to b?t viditeln? sv?tlo ze stoln? lampy nebo zdroje neviditeln?ho ultrafialov?ho, infra?erven?ho nebo gama z??en?.

T?lesa ale nevyza?uj? jen teplo. Tak? ho konzumuj?. N?kter? ve v?t?? m??e, jin? v men?? m??e. Nav?c se tmav? t?lesa oh??vaj? i ochlazuj? rychleji ne? sv?tl?. V hork?m po?as? se sna??me nosit sv?tl? oble?en?, proto?e absorbuje m?n? tepla ne? oble?en? tmav? barvy. Tmav? auto se na slunci oh?eje mnohem rychleji ne? sv?tl? auto stoj?c? vedle n?j.

Tato vlastnost l?tek absorbovat a vyza?ovat teplo r?zn?mi zp?soby se vyu??v? p?i vytv??en? syst?m? no?n?ho vid?n?, nav?d?c?ch syst?m? raket atd.

Zva?te vlastnosti termodynamick?ch syst?m?. Obvykle jsou ch?p?ny jako fyzik?ln? makroskopick? formy, skl?daj?c? se z v?znamn?ho po?tu ??stic, kter? neznamenaj? pou?it? ka?d? jednotliv? ??stice k popisu makroskopick?ch ukazatel?.

Neexistuj? ??dn? omezen? ohledn? povahy hmotn?ch ??stic, kter? jsou z?kladn?mi slo?kami takov?ch syst?m?. Mohou b?t reprezentov?ny jako molekuly, atomy, ionty, elektrony, fotony.

Zvl??tnosti

Poj?me analyzovat charakteristick? vlastnosti termodynamick?ch syst?m?. P??kladem je jak?koli p?edm?t, kter? lze pozorovat bez pou?it? dalekohled?, mikroskop?. Pro ?pln? popis takov?ho syst?mu jsou vybr?ny makroskopick? detaily, d?ky kter?m je mo?n? ur?it objem, tlak, teplotu, elektrickou polarizaci, magnetickou indukci, chemick? slo?en?, hmotnost slo?ek.

Pro jak?koli termodynamick? syst?my existuj? podm?n?n? nebo skute?n? hranice, kter? je odd?luj? od prost?ed?. M?sto toho se ?asto pou??v? koncept termostatu, kter? se vyzna?uje tak vysokou tepelnou kapacitou, ?e v p??pad? v?m?ny tepla s analyzovan?m syst?mem z?st?v? teplotn? index nezm?n?n.

Klasifikace syst?mu

Zva?te, jak? je klasifikace termodynamick?ch syst?m?. V z?vislosti na povaze jeho interakce s prost?ed?m je obvykl? rozli?ovat:

• izolovan? druhy, kter? si s prost?ed?m nevym??uj? hmotu ani energii;
• adiabaticky izolovan?, nevym??uje hmotu s vn?j??m prost?ed?m, ale vstupuje do v?m?ny pr?ce nebo energie;
• uzav?en? termodynamick? syst?my nemaj? v?m?nu hmoty, je povolena pouze zm?na velikosti energie;
• otev?en? syst?my se vyzna?uj? ?pln?m p?enosem energie, hmoty;
• ??ste?n? otev?en? mohou m?t polopropustn? p?ep??ky, tak?e se pln? ne??astn? v?m?ny materi?lu.

V z?vislosti na popisu lze parametry termodynamick?ho syst?mu rozd?lit na komplexn? a jednoduch? mo?nosti.

Vlastnosti jednoduch?ch syst?m?

Jednoduch? soustavy se naz?vaj? rovnov??n? stavy, jejich? fyzik?ln? stav lze ur?it specifick?m objemem, teplotou, tlakem. P??klady termodynamick?ch syst?m? tohoto typu jsou izotropn? t?lesa, kter? maj? stejn? charakteristiky v r?zn?ch sm?rech a bodech. Tak?e kapaliny, plynn? l?tky, pevn? l?tky, kter? jsou ve stavu termodynamick? rovnov?hy, nejsou ovlivn?ny elektromagnetick?mi a gravita?n?mi silami, povrchov?m nap?t?m, chemick?mi p?em?nami. Anal?za jednoduch?ch t?les je v termodynamice uzn?v?na jako d?le?it? a relevantn? z praktick?ho i teoretick?ho hlediska.

Vnit?n? energie termodynamick?ho syst?mu tohoto druhu je spojena s okoln?m sv?tem. P?i popisu se pou??v? po?et ??stic, hmotnost l?tky ka?d? jednotliv? slo?ky.

Komplexn? syst?my

Komplexn? syst?my zahrnuj? termodynamick? syst?my, kter? nespadaj? pod jednoduch? typy. Jsou to nap??klad magnety, dielektrika, pevn? elastick? t?lesa, supravodi?e, f?zov? rozhran?, tepeln? z??en?, elektrochemick? syst?my. Jako parametry pou??van? k jejich popisu si v?imneme pru?nosti pru?iny nebo ty?e, povrch f?zov?ho odd?len? a tepeln? z??en?.

Fyzik?ln? syst?m je takov? soubor, ve kter?m nedoch?z? k ??dn? chemick? interakci mezi l?tkami v r?mci teplotn?ch a tlakov?ch indik?tor? vybran?ch pro studii. A chemick? syst?my jsou ty mo?nosti, kter? zahrnuj? interakci mezi jeho jednotliv?mi slo?kami.

Vnit?n? energie termodynamick?ho syst?mu z?vis? na jeho izolaci od vn?j??ho sv?ta. Nap??klad jako variantu adiabatick?ho pl??t? si lze p?edstavit Dewarovo plavidlo. Homogenn? charakter se projevuje v syst?mu, ve kter?m maj? v?echny slo?ky podobn? vlastnosti. P??kladem jsou plynn?, pevn?, kapaln? roztoky. Typick?m p??kladem plynn? homogenn? f?ze je zemsk? atmosf?ra.

Vlastnosti termodynamiky

Tento v?dn? obor se zab?v? studiem z?kladn?ch z?konitost? proces?, kter? jsou spojeny s uvol?ov?n?m, vst?eb?v?n?m energie. V chemick? termodynamice se p?edpokl?d? studium vz?jemn?ch p?em?n jednotliv?ch ??st? syst?mu, stanoven? z?konitost?, kter?mi se ??d? p?echod jednoho druhu energie na jin? za dan?ch podm?nek (tlak, teplota, objem).

Syst?m, kter? je p?edm?tem termodynamick?ho studia, m??e b?t reprezentov?n jako jak?koli objekt p??rody, kter? zahrnuje velk? mno?stv? molekul, kter? jsou odd?leny rozhran?m s jin?mi re?ln?mi objekty. Stavem soustavy se rozum? souhrn jej?ch vlastnost?, kter? jej umo??uj? ur?it z hlediska termodynamiky.

Z?v?r

V ka?d?m syst?mu doch?z? k p?echodu jednoho druhu energie na jin?, ustavuje se termodynamick? rovnov?ha. Zvl??tn? v?znam m? ??st fyziky, kter? se zab?v? podrobn?m studiem p?em?n, zm?n a zachov?n? energie. Nap??klad v chemick? kinetice lze nejen popsat stav syst?mu, ale tak? vypo??tat podm?nky, kter? usnad?uj? jeho posun po?adovan?m sm?rem.

Hess?v z?kon, vztahuj?c? entalpii, entropii uva?ovan? transformace, umo??uje identifikovat mo?nost spont?nn? reakce, vypo??tat mno?stv? tepla uvoln?n?ho (absorbovan?ho) termodynamick?m syst?mem.

Praktick? v?znam m? termochemie, zalo?en? na z?kladech termodynamiky. D?ky tomuto ?seku chemie se ve v?rob? prov?d?j? p?edb??n? v?po?ty palivov? ??innosti a proveditelnosti zaveden? ur?it?ch technologi? do re?ln? v?roby. Informace z?skan? z termodynamiky umo??uj? aplikovat jevy elasticity, termoelektriky, viskozity a magnetizace pro pr?myslovou v?robu r?zn?ch materi?l?.

Fyzikov? a z?stupci jin?ch v?d m?li dlouhou dobu zp?sob, jak popsat, co pozoruj? p?i sv?ch experimentech. Nedostatek konsenzu a p??tomnost velk?ho mno?stv? term?n? p?evzat?ch „z ni?eho nic“ vedly ke zmatk?m a nedorozum?n?m mezi kolegy. Postupem ?asu z?skalo ka?d? odv?tv? fyziky sv? zaveden? definice a m?rn? jednotky. Tak se objevily termodynamick? parametry, kter? vysv?tluj? v?t?inu makroskopick?ch zm?n v syst?mu.

Definice

Stavov? parametry, neboli termodynamick? parametry, jsou ?adou fyzik?ln?ch veli?in, kter? spole?n? a ka?d? samostatn? mohou charakterizovat pozorovan? syst?m. Pat?? sem pojmy jako:

• teplota a tlak;
• koncentrace, magnetick? indukce;
• entropie;
• entalpie;
• Gibbsovy a Helmholtzovy energie a mnoho dal??ch.

Existuj? intenzivn? a rozs?hl? parametry. Extenzivn? jsou ty, kter? jsou p??mo z?visl? na hmotnosti termodynamick?ho syst?mu, a intenzivn? jsou ty, kter? jsou ur?eny jin?mi krit?rii. Ne v?echny parametry jsou stejn? nez?visl?, proto je pro v?po?et rovnov??n?ho stavu syst?mu nutn? ur?it n?kolik parametr? najednou.

Mezi fyziky nav?c panuj? ur?it? terminologick? neshody. Stejnou fyzik?ln? charakteristiku mohou r?zn? auto?i nazvat bu? procesem, nebo sou?adnic?, nebo veli?inou, nebo parametrem, nebo dokonce jen vlastnost?. V?e z?vis? na obsahu, ve kter?m jej v?dec pou??v?. V n?kter?ch p??padech v?ak existuj? standardizovan? doporu?en?, kter? mus? zpracovatel? dokument?, u?ebnic nebo p??kaz? dodr?ovat.

Klasifikace

Existuje n?kolik klasifikac? termodynamick?ch parametr?. Tak?e na z?klad? prvn?ho odstavce je ji? zn?mo, ?e v?echna mno?stv? lze rozd?lit na:

• extenzivn? (aditivn?) - takov? l?tky se ??d? z?konem p?id?v?n?, to znamen?, ?e jejich hodnota z?vis? na po?tu slo?ek;
• intenzivn? - nez?vis? na tom, kolik l?tky bylo pou?ito pro reakci, proto?e jsou b?hem interakce zarovn?ny.

Na z?klad? podm?nek, za kter?ch se l?tky, kter? tvo?? syst?m, nach?zej?, lze veli?iny rozd?lit na ty, kter? popisuj? f?zov? reakce a chemick? reakce. Krom? toho je t?eba vz?t v ?vahu reaktanty. Oni mohou b?t:

• termomechanick?;
• termofyzik?ln?;
• termochemick?.

Krom? toho ka?d? termodynamick? syst?m vykon?v? ur?itou funkci, tak?e parametry mohou charakterizovat pr?ci nebo teplo z?skan? v d?sledku reakce a tak? umo??uj? vypo??tat energii pot?ebnou k p?enosu hmotnosti ??stic.

Stavov? prom?nn?

Stav jak?hokoli syst?mu, v?etn? termodynamick?ho, m??e b?t ur?en kombinac? jeho vlastnost? nebo charakteristik. V?echny prom?nn?, kter? jsou zcela ur?eny pouze v ur?it?m ?asov?m okam?iku a nez?vis? na tom, jak p?esn? se syst?m do tohoto stavu dostal, se naz?vaj? termodynamick? parametry (prom?nn?) stavu nebo stavov?ch funkc?.

Syst?m je pova?ov?n za stacion?rn?, pokud se prom?nn? funkce v pr?b?hu ?asu nem?n?. Jednou z mo?nost? je termodynamick? rovnov?ha. Jak?koli, i sebemen?? zm?na v syst?mu je ji? procesem a m??e obsahovat jeden a? n?kolik prom?nn?ch termodynamick?ch stavov?ch parametr?. Posloupnost, ve kter? stavy syst?mu plynule p?ech?zej? jeden do druh?ho, se naz?v? „cesta procesu“.

Bohu?el st?le doch?z? k z?m?n? s pojmy, proto?e stejn? prom?nn? m??e b?t jak nez?visl?, tak i v?sledkem se?ten? n?kolika syst?mov?ch funkc?. Proto lze pojmy jako „stavov? funkce“, „stavov? parametr“, „stavov? prom?nn?“ pova?ovat za synonyma.

Teplota

Jedn?m z nez?visl?ch parametr? stavu termodynamick?ho syst?mu je teplota. Je to veli?ina, kter? charakterizuje mno?stv? kinetick? energie na jednotku ??stic v termodynamick?m syst?mu v rovnov?ze.

Pokud p?istoup?me k definici pojmu z hlediska termodynamiky, pak teplota je hodnota nep??mo ?m?rn? zm?n? entropie po p?id?n? tepla (energie) do syst?mu. Kdy? je syst?m v rovnov?ze, je hodnota teploty pro v?echny jeho "??astn?ky" stejn?. Pokud dojde k teplotn?mu rozd?lu, pak je energie vyd?na teplej??m t?lesem a pohlcena chladn?j??m.

Existuj? termodynamick? syst?my, ve kter?ch se p?i p?id?n? energie neuspo??danost (entropie) nezvy?uje, ale naopak sni?uje. Nav?c, pokud takov? syst?m interaguje s t?lesem, jeho? teplota je v?t?? ne? jeho vlastn?, pak svou kinetickou energii odevzd? tomuto t?lesu a ne naopak (na z?klad? z?kon? termodynamiky).

Tlak

Tlak je veli?ina, kter? charakterizuje s?lu p?sob?c? na t?leso kolm? k jeho povrchu. Pro v?po?et tohoto parametru je nutn? vyd?lit cel? mno?stv? s?ly plochou objektu. Jednotky t?to s?ly budou pascaly.

V p??pad? termodynamick?ch parametr? plyn zab?r? cel? objem, kter? m? k dispozici, a nav?c molekuly, kter? jej tvo??, se neust?le n?hodn? pohybuj? a nar??ej? mezi sebou a s n?dobou, ve kter? se nach?zej?. Pr?v? tyto n?razy ur?uj? tlak l?tky na st?ny n?doby nebo na t?leso, kter? je v plynu um?st?no. S?la se ???? v?emi sm?ry stejn? pr?v? kv?li nep?edv?dateln?mu pohybu molekul. Pro zv??en? tlaku je nutn? zv??it teplotu syst?mu a naopak.

Vnit?n? energie

Mezi hlavn? termodynamick? parametry, kter? z?vis? na hmotnosti syst?mu, pat?? vnit?n? energie. Skl?d? se z kinetick? energie v d?sledku pohybu molekul l?tky a tak? z potenci?ln? energie, kter? se objev?, kdy? molekuly vz?jemn? interaguj?.

Tento parametr je jednozna?n?. To znamen?, ?e hodnota vnit?n? energie je konstantn?, kdykoli je syst?m v po?adovan?m stavu, bez ohledu na to, jak bylo (stavu) dosa?eno.

Je nemo?n? zm?nit vnit?n? energii. Je to sou?et tepla vyd?van?ho syst?mem a pr?ce, kterou vyr?b?. U n?kter?ch proces? se berou v ?vahu dal?? parametry, jako je teplota, entropie, tlak, potenci?l a po?et molekul.

Entropie

Druh? z?kon termodynamiky ??k?, ?e entropie nekles?. Jin? formulace p?edpokl?d?, ?e energie nikdy nep?ech?z? z t?lesa s ni??? teplotou do teplej??ho. To zase pop?r? mo?nost vytvo?it stroj s v??n?m pohybem, proto?e je nemo?n? p?ev?st ve?kerou energii, kterou m? t?lo k dispozici, do pr?ce.

Samotn? pojem „entropie“ se za?al pou??vat v polovin? 19. stolet?. Pak to bylo vn?m?no jako zm?na mno?stv? tepla na teplotu syst?mu. Ale takov? definice plat? pouze pro procesy, kter? jsou neust?le ve stavu rovnov?hy. Z toho m??eme vyvodit n?sleduj?c? z?v?r: pokud m? teplota t?les, kter? tvo?? syst?m, tendenci k nule, pak bude entropie rovna nule.

Entropie jako termodynamick? parametr stavu plynu se pou??v? jako indikace m?ry n?hodnosti, n?hodnosti pohybu ??stic. Pou??v? se k ur?en? rozlo?en? molekul v ur?it? oblasti a n?dob? nebo k v?po?tu elektromagnetick? s?ly interakce mezi ionty l?tky.

Entalpie

Entalpie je energie, kterou lze p?em?nit na teplo (nebo pr?ci) p?i konstantn?m tlaku. To je potenci?l syst?mu, kter? je ve stavu rovnov?hy, pokud v?zkumn?k zn? ?rove? entropie, po?et molekul a tlak.

Pokud je uveden termodynamick? parametr ide?ln?ho plynu, pou?ije se m?sto entalpie formulace „energie expandovan?ho syst?mu“. Abychom si tuto hodnotu snadn?ji vysv?tlili, m??eme si p?edstavit n?dobu napln?nou plynem, kter? je rovnom?rn? stla?ov?n p?stem (nap??klad spalovac? motor). V tomto p??pad? se entalpie bude rovnat nejen vnit?n? energii l?tky, ale tak? pr?ci, kterou je t?eba vykonat, aby se syst?m dostal do po?adovan?ho stavu. Zm?na tohoto parametru z?vis? pouze na po??te?n?m a kone?n?m stavu syst?mu a na zp?sobu, jak?m bude z?sk?n, nez?le??.

Gibbsova energie

Termodynamick? parametry a procesy jsou z velk? ??sti spojeny s energetick?m potenci?lem l?tek, kter? tvo?? syst?m. Gibbsova energie je tedy ekvivalentem celkov? chemick? energie syst?mu. Ukazuje, jak? zm?ny nastanou v pr?b?hu chemick?ch reakc? a zda budou l?tky v?bec interagovat.

Zm?na mno?stv? energie a teploty syst?mu v pr?b?hu reakce ovliv?uje takov? pojmy jako entalpie a entropie. Rozd?l mezi t?mito dv?ma parametry se bude naz?vat Gibbsova energie nebo izobaricko-izotermick? potenci?l.

Minim?ln? hodnota t?to energie je pozorov?na, pokud je syst?m v rovnov?ze a jeho tlak, teplota a mno?stv? hmoty z?st?vaj? nezm?n?ny.

Helmholtzova energie

Helmholtzova energie (podle jin?ch zdroj? - jednodu?e voln? energie) je potenci?ln? mno?stv? energie, kterou syst?m ztrat? p?i interakci s t?lesy, kter? nejsou jeho sou??st?.

Koncept Helmholtzovy voln? energie se ?asto pou??v? k ur?en?, jakou maxim?ln? pr?ci m??e syst?m vykonat, to znamen?, kolik tepla se uvoln?, kdy? se l?tky zm?n? z jednoho stavu do druh?ho.

Pokud je syst?m v termodynamick? rovnov?ze (to znamen?, ?e nevykon?v? ??dnou pr?ci), pak je hladina voln? energie na minimu. To znamen?, ?e nedoch?z? ani ke zm?n?m jin?ch parametr?, jako je teplota, tlak a po?et ??stic.

Termodynamick? syst?m- jedn? se o ??st hmotn?ho sv?ta, odd?lenou od okol? re?ln?mi nebo imagin?rn?mi hranicemi a je p?edm?tem studia termodynamiky. Prost?ed? je objemov? mnohem v?t??, a proto jsou zm?ny v n?m nev?znamn? ve srovn?n? se zm?nou stavu syst?mu. Na rozd?l od mechanick?ch syst?m?, kter? se skl?daj? z jednoho nebo v?ce t?les, termodynamick? syst?m obsahuje velmi velk? mno?stv? ??stic, co? d?v? vzniknout zcela nov?m vlastnostem a vy?aduje r?zn? p??stupy k popisu stavu a chov?n? takov?ch syst?m?. Termodynamick? syst?m je makroskopick? objekt.

Klasifikace termodynamick?ch syst?m?

1. Slo?en?

Termodynamick? syst?m se skl?d? z komponent. Komponent - jedn? se o l?tku, kterou lze izolovat ze syst?mu a existuje mimo n?j, tzn. slo?ky jsou nez?visl? l?tky.

Jednoslo?kov?.

Dvouslo?kov? nebo bin?rn?.

T??slo?kov? - trojit?.

V?ceslo?kov?.

2. Podle f?zov?ho slo?en?- homogenn? a heterogenn?

homogenn? syst?my maj? stejn? makroskopick? vlastnosti v kter?mkoli bod? syst?mu, p?edev??m teplota, tlak, koncentrace a mnoho dal??ch, jako je index lomu, permitivita, krystalov? struktura atd. Homogenn? syst?my se skl?daj? z jedin? f?ze.

F?ze- jedn? se o homogenn? ??st syst?mu, odd?lenou od ostatn?ch f?z? rozhran?m a charakterizovanou vlastn? stavovou rovnic?. F?ze a stav agregace se p?ekr?vaj?, ale nejsou toto?n?. Existuj? pouze 4 stavy agregace, f?z? m??e b?t mnohem v?ce.

Heterogenn? syst?my se skl?daj? minim?ln? ze dvou f?z?.

3. Podle typ? vazeb s okol?m(podle mo?nost? sm?ny s okol?m).

Izolovan? Syst?m si nevym??uje energii ani hmotu s okol?m. Jedn? se o idealizovan? syst?m, kter? v z?sad? nelze experiment?ln? studovat.

ZAV?ENO syst?m si m??e vym??ovat energii s okol?m, ale nevym??uje hmotu.

OTEV?ENO syst?m vym??uje energii i hmotu

Stav TDS

Stav TDS je souhrn v?ech jeho m??iteln?ch makroskopick?ch vlastnost?, kter? proto maj? kvantitativn? vyj?d?en?. Makroskopick? povaha vlastnost? znamen?, ?e je lze p?ipsat pouze syst?mu jako celku, a nikoli jednotliv?m ??stic?m, kter? tvo?? TDS (T, p, V, c, U, n k). Kvantitativn? charakteristiky st?tu jsou vz?jemn? propojeny. Proto existuje minim?ln? soubor charakteristik syst?mu, tzv parametry , jeho? nastaven? umo??uje kompletn? popsat vlastnosti syst?mu. Po?et t?chto parametr? z?vis? na typu syst?mu. V nejjednodu???m p??pad? pro uzav?en? homogenn? plynov? syst?m v rovnov?ze sta?? zadat pouze 2 parametry. U otev?en?ho syst?mu je krom? t?chto dvou charakteristik syst?mu po?adov?no specifikovat po?et mol? ka?d? slo?ky.

Termodynamick? prom?nn? se d?l? na:

- extern?, kter? jsou ur?eny vlastnostmi a sou?adnicemi syst?mu v prost?ed? a z?vis? na kontaktech syst?mu s okol?m, nap?. hmotnost a po?et sou??st?, intenzita elektrick?ho pole, po?et takov?ch prom?nn?ch je omezen;

- vnit?n?, kter? charakterizuj? vlastnosti syst?mu, nap??klad hustotu, vnit?n? energii, po?et takov?ch parametr? je neomezen?;

- rozs?hl?, kter? jsou p??mo ?m?rn? hmotnosti syst?mu nebo po?tu ??stic, nap??klad objem, energie, entropie, tepeln? kapacita;

-intenzivn?, kter? nez?vis? na hmotnosti syst?mu, nap??klad na teplot?, tlaku.

Parametry TDS jsou propojeny relac?, kter? je tzv stavov? rovnice syst?my. Celkov? pohled na to F(p, V , T)= 0. Jedn?m z nejd?le?it?j??ch ?kol? FH je naj?t stavovou rovnici pro libovoln? syst?m. Dosud je p?esn? stavov? rovnice zn?ma pouze pro ide?ln? plyny (rovnice Clapeyron-Mend?lejev).

pV = nRT, ( 1.1)

kde R– univerz?ln? plynov? konstanta = 8,314 J/(mol.K) .

[p] \u003d Pa, 1 atm \u003d 1,013 * 10 5 Pa \u003d 760 mm Hg,

[V] \u003d m3, [T] \u003d K, [n] \u003d mol, N \u003d 6,02 * 1023 mol-1. Re?ln? plyny jsou touto rovnic? pops?ny pouze p?ibli?n? a ??m vy??? tlak a ni??? teplota, t?m v?t?? odchylka od t?to stavov? rovnice.

Rozli?ovat rovnov?ha a nerovnov?ze stavu TDS.

Klasick? termodynamika se obvykle omezuje na ?vahy o rovnov??n?ch stavech bl?zk?ch bin?rn?ch syst?m?. Rovnov?ha - to je stav, do kter?ho TDS spont?nn? p?ich?z?, a ve kter?m m??e existovat neomezen? dlouho bez vn?j??ch vliv?. Pro ur?en? rovnov??n?ho stavu je v?dy pot?eba men?? po?et parametr? ne? u nerovnov??n?ch syst?m?.

Rovnov??n? stav se d?l? na:

- udr?iteln?ho(stabiln?) stav, ve kter?m jak?koliv nekone?n? mal? akce zp?sob? pouze nekone?n? malou zm?nu stavu, a kdy? je tento efekt eliminov?n, syst?m se vr?t? do p?vodn?ho stavu;

- metastabiln? stav, kdy n?kter? kone?n? vlivy zp?sob? zm?ny kone?n?ho stavu, kter? po odstran?n? t?chto vliv? nezmiz?.

Naz?v? se zm?na stavu TDS spojen? se zm?nou alespo? jedn? z jeho termodynamick?ch prom?nn?ch termodynamick? proces. Charakteristick?m rysem popisu termodynamick?ch proces? je, ?e jsou charakterizov?ny nikoli rychlost? zm?ny vlastnost?, ale velikost? zm?n. Proces v termodynamice je sled stav? syst?mu vedouc? od po??te?n? sady termodynamick?ch parametr? ke kone?n?mu. Existuj? n?sleduj?c? termodynamick? procesy:

- spont?nn?, na jejich? realizaci nen? nutn? vynakl?dat energii;

- nespont?nn?, vyskytuj?c? se pouze s v?dejem energie;

- nevratn?(nebo nerovnov??n?) - kdy v d?sledku procesu nen? mo?n? vr?tit syst?m do p?vodn?ho stavu.

-reverzibiln? jsou idealizovan? procesy, kter? jdou tam a zp?t p?es stejn? mezistavy a po dokon?en? cyklu se nezm?n? ani syst?m, ani prost?ed?.

St?tn? funkce jsou vlastnosti syst?mu, kter? z?vis? pouze na parametrech stavu, ale nez?vis? na zp?sobu jeho dosa?en?.

Stavov? funkce se vyzna?uj? n?sleduj?c?mi vlastnostmi:

Infinitezim?ln? zm?na funkce F je tot?ln? diferenci?l df;

Zm?na funkce p?i p?echodu ze stavu 1 do stavu 2 je ur?ena pouze t?mito stavy ? df \u003d f 2 - f 1

V d?sledku jak?hokoli cyklick?ho procesu se stavov? funkce nem?n?, tzn. rovn? se nule.

Teplo a pr?ce– zp?soby v?m?ny energie mezi CDS a ?ivotn?m prost?ed?m. Teplo a pr?ce jsou charakteristiky procesu, nejsou to stavov? funkce.

Pr?ce- forma v?m?ny energie na makroskopick? ?rovni, kdy doch?z? k usm?rn?n?mu pohybu p?edm?tu. Pr?ce je pova?ov?na za pozitivn?, pokud ji syst?m vykon?v? proti vn?j??m sil?m.

Teplo- forma v?m?ny energie na mikroskopick? ?rovni, tzn. v podob? zm?ny chaotick?ho pohybu molekul. Je zvykem pova?ovat teplo p?ijat? syst?mem a pr?ci na n?m za pozitivn?, tzn. funguje „egoistick? princip“. .

Nej?ast?ji pou??van?mi jednotkami energie a pr?ce, zejm?na v termodynamice, jsou joule SI (J) a mimosyst?mov? jednotka, kalorie (1 cal = 4,18 J).

V z?vislosti na povaze objektu existuj? r?zn? typy pr?ce:

1. Mechanick? - pohyb t?la

dA mech = - F ex dl.(2.1)

Pr?ce je skal?rn? sou?in 2 vektor? s?ly a posunut?, tzn.

|dА ko?e?ina | = F dl cosa. Pokud je sm?r vn?j?? s?ly opa?n? k posunut? vnit?n?ch sil, pak cosa < 0.

2. Roz?i?ovac? pr?ce (nej?ast?ji zva?ovan? expanze plynu)

dА = - р dV (1.7)

Je v?ak t?eba m?t na pam?ti, ?e tento v?raz plat? pouze pro reverzibiln? proces.

3. Elektrick? – pohyb elektrick?ch n?boj?

dА el = -jdq,(2.2)

kde j- elektrick? potenci?l.

4. povrchn? - zm?na povrchu,

dA povrch = -sdS,(2.3)

kde s- povrchov? nap?t?.

5. Obecn? v?raz pro pr?ci

dА = - Ydx,(2.4)

Y- generalizovan? s?la, dx- zobecn?nou sou?adnici, lze tedy pr?ci pova?ovat za produkt intenzivn?ho faktoru a zm?ny extenzivn?ho faktoru.

6. Volaj? se v?echny druhy prac? krom? roz?i?ovac?ch prac? u?ite?n? pr?ce (dA'). dА = рdV + dА’ (2,5)

7. Analogicky m??eme zav?st koncept chemik?lie pracovat, kdy? se pohybuje sm?rov? k chemick? l?tka, nk je extenzivn? vlastnost, zat?mco intenzivn? parametr m k naz?van? chemick? potenci?l k l?tka

dA chem \u003d -Sm k dn k. (2.6)