Strana 1

Termodynamick? syst?m, ako ka?d? in? fyzik?lny syst?m, m? ur?it? mno?stvo energie, ktor? sa zvy?ajne naz?va vn?torn? energia syst?mu.

Termodynamick? syst?m sa naz?va izolovan?, ak si nem??e vymie?a? energiu ani hmotu s prostred?m. Pr?kladom tak?hoto syst?mu je plyn uzavret? v n?dobe s kon?tantn?m objemom. Termodynamick? syst?m sa naz?va adiabatick?, ak si nem??e vymie?a? energiu s in?mi syst?mami prostredn?ctvom v?meny tepla.

Termodynamick? syst?m je s?bor telies, ktor? si do tej ?i onej miery m??u vymie?a? energiu a hmotu medzi sebou a prostred?m.

Termodynamick? syst?my sa delia na uzavret? syst?my, ktor? si nevymie?aj? hmotu s in?mi syst?mami, a otvoren? syst?my, ktor? si vymie?aj? hmotu a energiu s in?mi syst?mami. V pr?padoch, ke? si syst?m nevymie?a energiu a hmotu s in?mi syst?mami, sa naz?va izolovan? a ke? nedoch?dza k prenosu tepla, syst?m sa naz?va adiabatick?.

Termodynamick? syst?my m??u pozost?va? zo zmes? ?ist?ch l?tok. Zmes (roztok) sa naz?va homog?nna, ke? chemick? zlo?enie a fyzik?lne vlastnosti v ak?chko?vek mal?ch ?asticiach s? rovnak? alebo sa plynule menia z jedn?ho bodu syst?mu do druh?ho. Hustota, tlak a teplota homog?nnej zmesi s? v ka?dom bode rovnak?. Pr?kladom homog?nneho syst?mu je ur?it? objem vody, ktorej chemick? zlo?enie je rovnak?, ale fyzik?lne vlastnosti sa menia z jedn?ho bodu do druh?ho.

Termodynamick? syst?m s ur?it?m kvantitat?vnym pomerom zlo?iek sa naz?va jedin? fyzik?lno-chemick? syst?m.

Termodynamick? syst?my (makroskopick? teles?) maj? spolu s mechanickou energiou E aj vn?torn? energiu U, ktor? z?vis? od teploty, objemu, tlaku a in?ch termodynamick?ch parametrov.

Termodynamick? syst?m sa naz?va neizolovan? alebo neuzavret?, ak m??e prij?ma? alebo odovzd?va? teplo do okolia a vykon?va? pr?cu a vonkaj?ie prostredie m??e vykon?va? pr?cu na syst?me. Syst?m je izolovan? alebo uzavret?, ak nedoch?dza k v?mene tepla s okol?m a zmena tlaku vo vn?tri syst?mu neovplyv?uje ?ivotn? prostredie a to nem??e v syst?me pracova?.

Termodynamick? syst?my pozost?vaj? zo ?tatisticky ve?k?ho po?tu ?ast?c.

Termodynamick? syst?m za ur?it?ch vonkaj??ch podmienok (alebo izolovan? syst?m) sa dost?va do stavu charakterizovan?ho st?los?ou jeho parametrov v ?ase a absenciou tokov hmoty a tepla v syst?me. Tento stav syst?mu sa naz?va rovnov??ny alebo rovnov??ny stav. Syst?m nem??e samovo?ne opusti? tento stav. Stav syst?mu, v ktorom nie je rovnov?ha, sa naz?va nerovnov??ny stav. Proces postupn?ho prechodu syst?mu z nerovnov??neho stavu sp?soben?ho vonkaj??mi vplyvmi do rovnov??neho stavu sa naz?va relax?cia a ?asov? interval, po?as ktor?ho sa syst?m vr?ti do rovnov??neho stavu, sa naz?va relaxa?n? ?as.

Termodynamick? syst?m v tomto pr?pade vykon?va pr?cu expanzie zn??en?m vn?tornej energie syst?mu.

Termodynamick? syst?m je predmetom ?t?dia termodynamiky a je s?borom telies, ktor? energeticky interaguj? medzi sebou a prostred?m a vymie?aj? si s n?m hmotu.

Termodynamick? syst?m, ponechan? s?m na seba za st?lych vonkaj??ch podmienok, prich?dza do stavu rovnov?hy, ktor? je charakterizovan? st?los?ou v?etk?ch parametrov a absenciou makroskopick?ch pohybov. Tento stav syst?mu sa naz?va stav termodynamickej rovnov?hy.

Termodynamick? syst?m je charakterizovan? kone?n?m po?tom nez?visl?ch premenn?ch – makroskopick?ch veli??n naz?van?ch termodynamick? parametre. Jedn?m z nez?visl?ch makroskopick?ch parametrov termodynamick?ho syst?mu, ktor? ho odli?uje od mechanick?ho syst?mu, je teplota ako miera intenzity tepeln?ho pohybu. Telesn? teplota sa m??e meni? v d?sledku v?meny tepla s okol?m a p?soben?m zdrojov tepla a v d?sledku samotn?ho deforma?n?ho procesu. Vz?ah medzi deform?ciou a teplotou je stanoven? pomocou termodynamiky.

Termodynamika je veda, ktor? ?tuduje tepeln? javy vyskytuj?ce sa v tele bez toho, aby ich sp?jala s molekul?rnou ?trukt?rou hmoty.

V termodynamike sa uva?uje, ?e v?etky tepeln? procesy v teles?ch s? charakterizovan? len makroskopick?mi parametrami- tlak, objem a teplota. A ke??e ich nemo?no aplikova? na jednotliv? molekuly alebo at?my, tak na rozdiel od molekul?rno-kinetickej te?rie sa v termodynamike neberie do ?vahy molekul?rna ?trukt?ra l?tky v tepeln?ch procesoch.

V?etky pojmy termodynamiky s? formulovan? ako zov?eobecnenie faktov pozorovan?ch v priebehu experimentov. Z tohto d?vodu sa naz?va fenomenologick? (deskript?vna) te?ria tepla.

Termodynamick? syst?my

Termodynamika popisuje tepeln? procesy prebiehaj?ce v makroskopick?ch syst?moch. Tak?to syst?my pozost?vaj? z obrovsk?ho mno?stva ?ast?c - molek?l a at?mov a naz?vaj? sa termodynamick?.

termodynamick? syst?m mo?no pova?ova? ak?ko?vek predmet, ktor? mo?no vidie? vo?n?m okom alebo pomocou mikroskopov, ?alekoh?adov a in?ch optick?ch pr?strojov. Hlavn? vec je, ?e rozmery syst?mu v priestore a ?as jeho existencie umo??uj? mera? jeho parametre - teplotu, tlak, hmotnos?, chemick? zlo?enie prvkov at?., pomocou pr?strojov, ktor? nereaguj? na vplyv jednotliv? molekuly (manometre, teplomery at?.).

Pre chemikov je termodynamick? syst?m zmesou chemick?ch l?tok, ktor? spolu interaguj? po?as chemickej reakcie. Astrofyzici bud? tak?to syst?m naz?va? nebesk? teleso. Zmes paliva a vzduchu v motore automobilu, zemegu?a, na?e telo, p?sacie pero, notebook, obr?bac? stroj at?. s? tie? termodynamick? syst?my.

Ka?d? termodynamick? syst?m je oddelen? od prostredia hranicami. M??u by? skuto?n? - sklenen? steny sk?mavky s chemik?liou, telo valca v motore at?. A m??u by? podmienen?, ke? napr?klad ?tuduj? vznik oblaku v atmosf?re.

Ak si tak?to syst?m nevymie?a ani energiu, ani hmotu s okol?m, potom sa vol? izolovan? alebo ZATVOREN? .

Ak si syst?m vymie?a energiu s vonkaj??m prostred?m, ale nevymie?a hmotu, tak je tzv ZATVOREN? .

otvoren? syst?m vymie?a energiu a hmotu s okol?m.

Termodynamick? rovnov?ha

Tento pojem sa zav?dza aj do termodynamiky ako zov?eobecnenie experiment?lnych v?sledkov.

Termodynamick? rovnov?ha naz?van? tak? stav syst?mu, v ktorom sa v?etky jeho makroskopick? veli?iny – teplota, tlak, objem a entropia – v ?ase nemenia, ak je syst?m izolovan?. Ak?ko?vek uzavret? termodynamick? syst?m m??e spont?nne prejs? do tak?hoto stavu, ak v?etky vonkaj?ie parametre zostan? kon?tantn?.

Najjednoduch??m pr?kladom syst?mu v termodynamickej rovnov?he je termoska s hor?cim ?ajom. Teplota v ?om je v ka?dom bode kvapaliny rovnak?. Hoci termosku mo?no nazva? izolovan?m syst?mom len pribli?ne.

Ak?ko?vek uzavret? termodynamick? syst?m m? spont?nne tendenciu prejs? do termodynamickej rovnov?hy, ak sa vonkaj?ie parametre nemenia.

Termodynamick? proces

Ak sa zmen? aspo? jeden z makroskopick?ch parametrov, potom hovoria, ?e syst?m je termodynamick? proces . K tak?muto procesu m??e d?js?, ak sa zmenia vonkaj?ie parametre alebo syst?m za?ne prij?ma? alebo vysiela? energiu. V d?sledku toho prech?dza do in?ho stavu.

Zoberme si pr?klad ?aju v termoske. Ak do ?aju ponor?me k?sok ?adu a termosku uzavrieme, okam?ite d?jde k rozdielu tepl?t v r?znych ?astiach tekutiny. Kvapalina v termoske bude ma? tendenciu vyrovn?va? teploty. Z oblast? s vy??ou teplotou sa teplo prenesie tam, kde je teplota ni??ia. To znamen?, ?e d?jde k termodynamick?mu procesu. Nakoniec bude teplota ?aju v termoske op?? rovnak?. Ale u? bude in? ako po?iato?n? teplota. Stav syst?mu sa zmenil, preto?e sa zmenila jeho teplota.

K termodynamick?mu procesu doch?dza, ke? sa piesok zohriaty na pl??i v hor?com dni v noci ochlad?. Do r?na mu teplota kles?. Akon?hle v?ak vyjde slnko, proces zahrievania sa znova spust?.

Vn?torn? energia

Jedn?m z hlavn?ch pojmov termodynamiky je vn?tornej energie .

V?etky makroskopick? teles? maj? vn?torn? energiu, ktor? je s??tom kinetick?ch a potenci?lnych energi? v?etk?ch ?ast?c (at?mov a molek?l), ktor? tvoria teleso. Tieto ?astice interaguj? iba medzi sebou a neinteraguj? s ?asticami prostredia. Vn?torn? energia z?vis? od kinetickej a potenci?lnej energie ?ast?c a nez?vis? od polohy samotn?ho telesa.

U = E k + E p

Vn?torn? energia sa men? s teplotou. Molekul?rna kinetick? te?ria to vysvet?uje zmenou r?chlosti pohybu ?ast?c hmoty. Ak teplota tela st?pa, r?chlos? pohybu ?ast?c sa zvy?uje, vzdialenos? medzi nimi sa zv???uje. V d?sledku toho sa zvy?uje ich kinetick? a potenci?lna energia. Ke? teplota klesne, d?jde k opa?n?mu procesu.

Pre termodynamiku nie je d?le?itej?ia hodnota vn?tornej energie, ale jej zmena. A m??ete zmeni? vn?torn? energiu pomocou procesu prenosu tepla alebo pomocou mechanickej pr?ce.

Zmena vn?tornej energie mechanickou pr?cou

Benjamin Rumford

Vn?torn? energia telesa sa m??e meni? vykon?van?m mechanickej pr?ce na tele. Ak sa na tele vykon? pr?ca, mechanick? energia sa premen? na vn?torn? energiu. A ak pr?cu vykon? telo, potom sa jeho vn?torn? energia premen? na mechanick? energiu.

Takmer do konca 19. storo?ia sa verilo, ?e existuje neprehliadnute?n? l?tka – kalorick? l?tka, ktor? pren??a teplo z tela do tela. ??m viac kal?ri? do tela prite?ie, t?m bude teplej?ie a naopak.

V roku 1798 v?ak anglo-americk? vedec gr?f Benjamin Rumford za?al pochybova? o te?rii kal?ri?. D?vodom bolo zahrievanie hlavne zbran? po?as v?tania. Nazna?il, ?e pr??inou zahrievania je mechanick? pr?ca, ktor? sa vykon?va po?as trenia vrt?ka o hlave?.

A Rumfoord urobil experiment. Na zv??enie trecej sily vzali tup? vrt?k a samotn? sud bol umiestnen? v sude s vodou. Na konci tretej hodiny v?tania za?ala voda v sude vrie?. To znamenalo, ?e hlave? dost?vala teplo, ke? sa na nej vykon?vala mechanick? pr?ca.

Prenos tepla

prenos tepla naz?van? fyzik?lny proces prenosu tepelnej energie (tepla) z jedn?ho telesa do druh?ho, a to bu? priamym kontaktom alebo cez deliacu prie?ku. Spravidla sa teplo pren??a z teplej?ieho telesa na chladnej?ie. Tento proces kon??, ke? sa syst?m dostane do stavu termodynamickej rovnov?hy.

Energia, ktor? telo prij?ma alebo vyd?va pri prenose tepla, sa naz?va mno?stvo tepla .

Pod?a sp?sobu prenosu tepla mo?no prenos tepla rozdeli? na 3 typy: tepeln? vodivos?, konvencia, tepeln? ?iarenie.

Tepeln? vodivos?

Ak medzi telesami alebo ?as?ami telies existuje teplotn? rozdiel, potom medzi nimi d?jde k procesu prenosu tepla. tepeln? vodivos? naz?van? proces prenosu vn?tornej energie z viac zohriateho telesa (alebo jeho ?asti) do menej zohriateho telesa (alebo jeho ?asti).

Napr?klad zahriat?m jedn?ho konca oce?ovej ty?e na ohe? po chv?li poc?time, ?e sa zahrieva aj jej druh? koniec.

Sklenen? ty?inku, ktorej jeden koniec je hor?ci, ?ahko dr??me za druh? koniec bez toho, aby sme sa pop?lili. Ale ak sa pok?sime urobi? rovnak? experiment so ?eleznou ty?ou, neuspejeme.

R?zne l?tky ved? teplo r?zne. Ka?d? z nich m? svoj vlastn? s??inite? tepelnej vodivosti, alebo vodivos???selne sa rovn? mno?stvu tepla, ktor? prejde vzorkou s hr?bkou 1 m, s plochou 1 m 2 za 1 sekundu. 1 K sa pova?uje za jednotku teploty.

Kovy ved? teplo najlep?ie. Toto je ich vlastnos?, ktor? vyu??vame v ka?dodennom ?ivote, pri varen? v kovov?ch hrncoch ?i panviciach. Ale ich rukov?te by nemali by? hor?ce. Preto s? vyroben? z materi?lov so zlou tepelnou vodivos?ou.

Tepeln? vodivos? kvapal?n je ni??ia. A plyny maj? zl? tepeln? vodivos?.

Zvieracia srs? je tie? zl?m vodi?om tepla. V?aka tomu sa v hor?com po?as? neprehrievaj? a v chladnom po?as? nezam?zaj?.

dohovoru

Be?ne sa teplo pren??a pr?dmi a pr?dmi plynu alebo kvapaliny. V pevn?ch l?tkach neexistuje ?iadna konvencia.

Ako vznik? konvencia v kvapaline? Ke? polo??me kanvicu s vodou na ohe?, spodn? vrstva tekutiny sa zohreje, jej hustota sa zn??i, posunie sa nahor. Jeho miesto zaber? chladnej?ia vrstva vody. Po ur?itom ?ase sa aj zahreje a tie? vymen? miesta s chladnej?ou vrstvou. At?.

Podobn? proces prebieha v plynoch. Nie je n?hoda, ?e vykurovacie bat?rie s? umiestnen? v spodnej ?asti miestnosti. Ohriaty vzduch toti? v?dy st?pa do hornej ?asti miestnosti. A t? ni??ia, studen?, naopak, pad?. Potom sa tie? zahrieva a op?? st?pa, zatia? ?o horn? vrstva sa po?as tejto doby ochlad? a klesne.

Dohovor je prirodzen? a vyn?ten?.

V atmosf?re neust?le prebieha prirodzen? konvencia. V d?sledku toho doch?dza k neust?lemu pohybu hm?t tepl?ho vzduchu nahor a chladu nadol. V?sledkom je vietor, mraky a in? pr?rodn? javy.

Ke? prirodzen? konvencia nesta??, pou??vam vyn?ten? konvenciu. Napr?klad tepl? vzduch pr?di v miestnosti pomocou lopatiek ventil?tora.

tepeln? ?iarenie

Slnko ohrieva zem. Nie je zahrnut? ?iadny prenos tepla ani konvencia. Pre?o sa teda tel? zahrievaj??

Faktom je, ?e Slnko je zdrojom tepeln?ho ?iarenia.

tepeln? ?iarenie je elektromagnetick? ?iarenie, ktor? vznik? v d?sledku vn?tornej energie tela. V?etky teles? okolo n?s vy?aruj? tepeln? energiu. M??e to by? vidite?n? svetlo zo stolovej lampy alebo zdroje nevidite?n?ho ultrafialov?ho, infra?erven?ho alebo gama ?iarenia.

Tel? v?ak nevy?aruj? len teplo. Tie? ho konzumuj?. Niektor? vo v???ej, in? v men?ej miere. Okrem toho sa tmav? teles? zahrievaj? a ochladzuj? r?chlej?ie ako svetl?. V hor?com po?as? sa sna??me nosi? svetl? oble?enie, preto?e absorbuje menej tepla ako oble?enie tmavej farby. Auto tmavej farby sa na slnku zohreje ove?a r?chlej?ie ako ved?a stojace auto svetlej farby.

T?to vlastnos? l?tok absorbova? a vy?arova? teplo r?znymi sp?sobmi sa vyu??va pri vytv?ran? syst?mov no?n?ho videnia, syst?mov nav?dzania rakiet at?.

Zv??te vlastnosti termodynamick?ch syst?mov. Obvykle s? ch?pan? ako fyzik?lne makroskopick? formy pozost?vaj?ce z v?znamn?ho po?tu ?ast?c, ktor? neznamenaj? pou?itie ka?dej jednotlivej ?astice na opis makroskopick?ch ukazovate?ov.

Neexistuj? ?iadne obmedzenia t?kaj?ce sa povahy ?ast?c materi?lu, ktor? s? z?kladn?mi zlo?kami tak?chto syst?mov. M??u by? reprezentovan? ako molekuly, at?my, i?ny, elektr?ny, fot?ny.

Zvl??tnosti

Analyzujme charakteristick? vlastnosti termodynamick?ch syst?mov. Pr?kladom je ak?ko?vek objekt, ktor? mo?no pozorova? bez pou?itia ?alekoh?adov, mikroskopov. Pre ?pln? popis tak?hoto syst?mu s? vybran? makroskopick? detaily, v?aka ktor?m je mo?n? ur?i? objem, tlak, teplotu, elektrick? polariz?ciu, magnetick? indukciu, chemick? zlo?enie, hmotnos? komponentov.

Pre ak?ko?vek termodynamick? syst?my existuj? podmienen? alebo skuto?n? hranice, ktor? ich odde?uj? od prostredia. Namiesto toho sa ?asto pou??va koncept termostatu, ktor? sa vyzna?uje takou vysokou tepelnou kapacitou, ?e v pr?pade v?meny tepla s analyzovan?m syst?mom zost?va teplotn? index nezmenen?.

Klasifik?cia syst?mu

Zv??te, ak? je klasifik?cia termodynamick?ch syst?mov. V z?vislosti od povahy jeho interakcie s prostred?m je obvykl? rozli?ova?:

• izolovan? druhy, ktor? si s prostred?m nevymie?aj? hmotu ani energiu;
• adiabaticky izolovan?, nevymie?a si hmotu s vonkaj??m prostred?m, ale vstupuje do v?meny pr?ce alebo energie;
• uzavret? termodynamick? syst?my nemaj? ?iadnu v?menu hmoty, je povolen? iba zmena ve?kosti energie;
• otvoren? syst?my sa vyzna?uj? ?pln?m prenosom energie, hmoty;
• ?iasto?ne otvoren? m??u ma? polopriepustn? prie?ky, tak?e sa plne nez??ast?uj? v?meny materi?lu.

V z?vislosti od popisu mo?no parametre termodynamick?ho syst?mu rozdeli? na zlo?it? a jednoduch? mo?nosti.

Vlastnosti jednoduch?ch syst?mov

Jednoduch? s?stavy sa naz?vaj? rovnov??ne stavy, ktor?ch fyzik?lny stav mo?no ur?i? ?pecifick?m objemom, teplotou, tlakom. Pr?kladmi termodynamick?ch syst?mov tohto typu s? izotropn? teles?, ktor? maj? rovnak? charakteristiky v r?znych smeroch a bodoch. Tak?e kvapaliny, plynn? l?tky, pevn? l?tky, ktor? s? v stave termodynamickej rovnov?hy, nie s? ovplyvnen? elektromagnetick?mi a gravita?n?mi silami, povrchov?m nap?t?m, chemick?mi premenami. Anal?za jednoduch?ch telies sa v termodynamike pova?uje za d?le?it? a relevantn? z praktick?ho aj teoretick?ho h?adiska.

Vn?torn? energia termodynamick?ho syst?mu tohto druhu je spojen? s okolit?m svetom. Pri popise sa pou??va po?et ?ast?c, hmotnos? l?tky ka?dej jednotlivej zlo?ky.

Komplexn? syst?my

Komplexn? syst?my zah??aj? termodynamick? syst?my, ktor? nespadaj? pod jednoduch? typy. S? to napr?klad magnety, dielektrik?, pevn? elastick? teles?, supravodi?e, f?zov? rozhrania, tepeln? ?iarenie, elektrochemick? syst?my. Ako parametre pou??van? na ich opis si v?imneme elasticitu pru?iny alebo ty?e, povrch f?zovej separ?cie a tepeln? ?iarenie.

Fyzik?lny syst?m je tak? s?bor, v ktorom nedoch?dza k ?iadnej chemickej interakcii medzi l?tkami v r?mci ukazovate?ov teploty a tlaku vybran?ch pre ?t?diu. A chemick? syst?my s? tie mo?nosti, ktor? zah??aj? interakciu medzi jeho jednotliv?mi zlo?kami.

Vn?torn? energia termodynamick?ho syst?mu z?vis? od jeho izol?cie od vonkaj?ieho sveta. Napr?klad ako variant adiabatick?ho pl???a si mo?no predstavi? Dewarovu n?dobu. Homog?nny charakter sa prejavuje v syst?me, v ktorom maj? v?etky zlo?ky podobn? vlastnosti. Pr?kladmi s? plynn?, tuh?, kvapaln? roztoky. Typick?m pr?kladom plynnej homog?nnej f?zy je zemsk? atmosf?ra.

Vlastnosti termodynamiky

Tento vedn? odbor sa zaober? ?t?diom z?kladn?ch z?konitost? procesov, ktor? s? spojen? s uvo??ovan?m, absorpciou energie. V chemickej termodynamike sa predpoklad? ?t?dium vz?jomn?ch premien jednotliv?ch ?ast? syst?mu, stanovenie z?konitost?, ktor?mi sa riadi prechod jedn?ho druhu energie na in? za dan?ch podmienok (tlak, teplota, objem).

Syst?m, ktor? je predmetom termodynamick?ho ?t?dia, m??e by? reprezentovan? ako ak?ko?vek objekt pr?rody, ktor? zah??a ve?k? mno?stvo molek?l, ktor? s? oddelen? rozhran?m s in?mi skuto?n?mi objektmi. Pod stavom syst?mu sa rozumie s?hrn jeho vlastnost?, ktor? ho umo??uj? ur?i? z h?adiska termodynamiky.

Z?ver

V ka?dom syst?me doch?dza k prechodu jedn?ho druhu energie na in?, nasto?uje sa termodynamick? rovnov?ha. Osobitn? v?znam m? ?as? fyziky, ktor? sa zaober? podrobn?m ?t?diom premien, zmien a zachovania energie. Napr?klad v chemickej kinetike je mo?n? nielen op?sa? stav syst?mu, ale aj vypo??ta? podmienky, ktor? u?ah?uj? jeho posun v po?adovanom smere.

Hessov z?kon, t?kaj?ci sa entalpie, entropie uva?ovanej transform?cie, umo??uje identifikova? mo?nos? spont?nnej reakcie, vypo??ta? mno?stvo tepla uvo?nen?ho (absorbovan?ho) termodynamick?m syst?mom.

Termoch?mia, zalo?en? na z?kladoch termodynamiky, m? praktick? v?znam. V?aka tomuto ?seku ch?mie sa vo v?robe vykon?vaj? predbe?n? v?po?ty palivovej ??innosti a realizovate?nosti zavedenia ur?it?ch technol?gi? do re?lnej v?roby. Inform?cie z?skan? z termodynamiky umo??uj? aplikova? javy elasticity, termoelektriky, viskozity a magnetiz?cie pre priemyseln? v?robu r?znych materi?lov.

Fyzici a predstavitelia in?ch vied mali dlh? dobu sp?sob, ako op?sa? to, ?o pozoruj? po?as svojich experimentov. Neexistencia konsenzu a pr?tomnos? ve?k?ho mno?stva v?razov prevzat?ch „z ni?oho ni?“ viedli k zm?tku a nedorozumeniam medzi kolegami. Postupom ?asu ka?d? odvetvie fyziky z?skalo svoje zaveden? defin?cie a jednotky merania. Takto sa objavili termodynamick? parametre, ktor? vysvet?uj? v???inu makroskopick?ch zmien v syst?me.

Defin?cia

Stavov? parametre alebo termodynamick? parametre s? radom fyzik?lnych veli??n, ktor? spolu a ka?d? samostatne m??u charakterizova? pozorovan? syst?m. Patria sem pojmy ako:

• teplota a tlak;
• koncentr?cia, magnetick? indukcia;
• entropia;
• entalpia;
• Gibbsove a Helmholtzove energie a mnoh? ?al?ie.

Existuj? intenz?vne a rozsiahle parametre. Extenz?vne s? tie, ktor? s? priamo z?visl? od hmotnosti termodynamick?ho syst?mu a intenz?vne s? tie, ktor? s? ur?en? in?mi krit?riami. Nie v?etky parametre s? rovnako nez?visl?, preto na v?po?et rovnov??neho stavu syst?mu je potrebn? ur?i? nieko?ko parametrov naraz.

Okrem toho medzi fyzikmi existuj? ur?it? terminologick? nezhody. Rovnak? fyzik?lnu charakteristiku m??u r?zni autori nazva? bu? procesom, alebo s?radnicou, alebo veli?inou, alebo parametrom, alebo dokonca len vlastnos?ou. V?etko z?vis? od obsahu, v ktorom ho vedec pou??va. V niektor?ch pr?padoch v?ak existuj? ?tandardizovan? odpor??ania, ktor? musia zostavovatelia dokumentov, u?ebn?c alebo pr?kazov dodr?iava?.

Klasifik?cia

Existuje nieko?ko klasifik?ci? termodynamick?ch parametrov. Tak?e na z?klade prv?ho odseku je u? zn?me, ?e v?etky mno?stv? mo?no rozdeli? na:

• rozsiahle (adit?vne) - tak?to l?tky dodr?iavaj? z?kon prid?vania, to znamen?, ?e ich hodnota z?vis? od po?tu zlo?iek;
• intenz?vne - nez?visia od toho, ko?ko l?tky bolo odobrat? na reakciu, preto?e s? zarovnan? po?as interakcie.

Na z?klade podmienok, v ktor?ch sa nach?dzaj? l?tky tvoriace syst?m, mo?no veli?iny rozdeli? na tie, ktor? popisuj? f?zov? reakcie a chemick? reakcie. Okrem toho je potrebn? vzia? do ?vahy reaktanty. M??u by?:

• termomechanick?;
• termofyzik?lne;
• termochemick?.

Okrem toho ka?d? termodynamick? syst?m vykon?va ur?it? funkciu, tak?e parametre m??u charakterizova? pr?cu alebo teplo z?skan? v d?sledku reakcie a tie? umo??uj? vypo??ta? energiu potrebn? na prenos hmotnosti ?ast?c.

Stavov? premenn?

Stav ak?hoko?vek syst?mu, vr?tane termodynamick?ho, m??e by? ur?en? kombin?ciou jeho vlastnost? alebo charakterist?k. V?etky premenn?, ktor? s? ?plne ur?en? len v ur?itom ?asovom okamihu a nez?visia od toho, ako presne sa syst?m do tohto stavu dostal, sa naz?vaj? termodynamick? parametre (premenn?) stavu alebo stavov?ch funkci?.

Syst?m sa pova?uje za stacion?rny, ak sa funkcie premenn?ch v priebehu ?asu nemenia. Jednou z mo?nost? je termodynamick? rovnov?ha. Ak?ko?vek, aj najmen?ia zmena v syst?me je u? proces a m??e obsahova? jeden a? nieko?ko premenn?ch termodynamick?ch stavov?ch parametrov. Postupnos?, v ktorej stavy syst?mu plynule prech?dzaj? do seba, sa naz?va „cesta procesu“.

Bohu?ia?, st?le doch?dza k z?mene s pojmami, preto?e t? ist? premenn? m??e by? nez?visl? a m??e by? v?sledkom s??tania nieko?k?ch syst?mov?ch funkci?. Preto pojmy ako „stavov? funkcia“, „stavov? parameter“, „stavov? premenn?“ mo?no pova?ova? za synonym?.

Teplota

Jedn?m z nez?visl?ch parametrov stavu termodynamick?ho syst?mu je teplota. Je to veli?ina, ktor? charakterizuje mno?stvo kinetickej energie na jednotku ?ast?c v termodynamickom syst?me v rovnov?he.

Ak prist?pime k defin?cii pojmu z h?adiska termodynamiky, tak teplota je hodnota nepriamo ?mern? zmene entropie po pridan? tepla (energie) do syst?mu. Ke? je syst?m v rovnov?he, hodnota teploty je rovnak? pre v?etk?ch jeho „??astn?kov“. Ak d?jde k teplotn?mu rozdielu, potom energiu odovzd? teplej?ie teleso a absorbuje chladnej?ie.

Existuj? termodynamick? syst?my, v ktor?ch pri prid?van? energie neporiadok (entropia) nerastie, ale naopak kles?. Okrem toho, ak tak?to syst?m interaguje s telesom, ktor?ho teplota je vy??ia ako jeho vlastn?, potom odovzd? svoju kinetick? energiu tomuto telesu a nie naopak (na z?klade z?konov termodynamiky).

Tlak

Tlak je veli?ina, ktor? charakterizuje silu p?sobiacu na teleso kolm? na jeho povrch. Na v?po?et tohto parametra je potrebn? rozdeli? cel? mno?stvo sily plochou objektu. Jednotkami tejto sily bud? pascaly.

V pr?pade termodynamick?ch parametrov plyn zaber? cel? objem, ktor? m? k dispoz?cii, a navy?e molekuly, ktor? ho tvoria, sa neust?le n?hodne pohybuj? a nar??aj? do seba a do n?doby, v ktorej sa nach?dzaj?. Pr?ve tieto n?razy ur?uj? tlak l?tky na steny n?doby alebo na teleso, ktor? je umiestnen? v plyne. Sila sa ??ri vo v?etk?ch smeroch rovnako pr?ve kv?li nepredv?date?n?mu pohybu molek?l. Na zv??enie tlaku je potrebn? zv??i? teplotu syst?mu a naopak.

Vn?torn? energia

Medzi hlavn? termodynamick? parametre, ktor? z?visia od hmotnosti syst?mu, patr? vn?torn? energia. Pozost?va z kinetickej energie sp?sobenej pohybom molek?l l?tky, ako aj z potenci?lnej energie, ktor? vznik? pri vz?jomnej interakcii molek?l.

Tento parameter je jednozna?n?. To znamen?, ?e hodnota vn?tornej energie je kon?tantn? v?dy, ke? je syst?m v po?adovanom stave, bez oh?adu na to, ako bol (stav) dosiahnut?.

Nie je mo?n? zmeni? vn?torn? energiu. Je to s??et tepla vyd?van?ho syst?mom a pr?ce, ktor? produkuje. Pri niektor?ch procesoch sa ber? do ?vahy ?al?ie parametre, ako je teplota, entropia, tlak, potenci?l a po?et molek?l.

Entropia

Druh? termodynamick? z?kon hovor?, ?e entropia nekles?. In? formul?cia predpoklad?, ?e energia nikdy neprech?dza z telesa s ni??ou teplotou do teplej?ieho. To zase popiera mo?nos? vytvorenia stroja na ve?n? pohyb, preto?e nie je mo?n? prenies? v?etku energiu, ktor? m? telo k dispoz?cii, do pr?ce.

Samotn? pojem „entropia“ sa za?al pou??va? v polovici 19. storo?ia. Potom to bolo vn?man? ako zmena mno?stva tepla na teplotu syst?mu. Ale tak?to defin?cia plat? len pre procesy, ktor? s? neust?le v rovnov??nom stave. Z toho m??eme vyvodi? nasleduj?ci z?ver: ak m? teplota telies, ktor? tvoria syst?m, tendenciu k nule, potom sa entropia bude rovna? nule.

Entropia ako termodynamick? parameter stavu plynu sa pou??va ako indik?cia miery n?hodnosti, n?hodnosti pohybu ?ast?c. Pou??va sa na ur?enie rozlo?enia molek?l v ur?itej oblasti a n?dobe alebo na v?po?et elektromagnetickej sily interakcie medzi i?nmi l?tky.

Entalpia

Entalpia je energia, ktor? sa m??e premeni? na teplo (alebo pr?cu) pri kon?tantnom tlaku. Toto je potenci?l syst?mu, ktor? je v stave rovnov?hy, ak v?skumn?k pozn? ?rove? entropie, po?et molek?l a tlak.

Ak je uveden? termodynamick? parameter ide?lneho plynu, namiesto entalpie sa pou??va formul?cia „energia expandovan?ho syst?mu“. Aby sme si t?to hodnotu ?ah?ie vysvetlili, m??eme si predstavi? n?dobu naplnen? plynom, ktor? je rovnomerne stl??an? piestom (napr?klad spa?ovac? motor). V tomto pr?pade sa entalpia bude rovna? nielen vn?tornej energii l?tky, ale aj pr?ci, ktor? je potrebn? vykona?, aby sa syst?m dostal do po?adovan?ho stavu. Zmena tohto parametra z?vis? len od po?iato?n?ho a kone?n?ho stavu syst?mu a na sp?sobe jeho z?skania nez?le??.

Gibbsova energia

Termodynamick? parametre a procesy s? z v???ej ?asti spojen? s energetick?m potenci?lom l?tok, ktor? tvoria syst?m. Gibbsova energia je teda ekvivalentom celkovej chemickej energie syst?mu. Ukazuje, ak? zmeny nastan? v priebehu chemick?ch reakci? a ?i bud? l?tky v?bec interagova?.

Zmena mno?stva energie a teploty syst?mu v priebehu reakcie ovplyv?uje tak? pojmy ako entalpia a entropia. Rozdiel medzi t?mito dvoma parametrami sa bude naz?va? Gibbsova energia alebo izobaricko-izotermick? potenci?l.

Minim?lna hodnota tejto energie je pozorovan?, ak je syst?m v rovnov?he a jeho tlak, teplota a mno?stvo hmoty zost?vaj? nezmenen?.

Helmholtzova energia

Helmholtzova energia (pod?a in?ch zdrojov – jednoducho vo?n? energia) je potenci?lne mno?stvo energie, ktor? syst?m strat? pri interakcii s telesami, ktor? nie s? jeho s??as?ou.

Koncept Helmholtzovej vo?nej energie sa ?asto pou??va na ur?enie, ak? maxim?lnu pr?cu m??e syst?m vykona?, to znamen?, ko?ko tepla sa uvo?n?, ke? l?tky prech?dzaj? z jedn?ho stavu do druh?ho.

Ak je syst?m v stave termodynamickej rovnov?hy (teda nevykon?va ?iadnu pr?cu), potom je hladina vo?nej energie na minime. To znamen?, ?e nedoch?dza ani k zmen?m in?ch parametrov, ako je teplota, tlak a po?et ?ast?c.

Termodynamick? syst?m- je to ?as? hmotn?ho sveta, oddelen? od prostredia re?lnymi alebo imagin?rnymi hranicami a je predmetom ?t?dia termodynamiky. Prostredie je objemovo ove?a v???ie, a preto s? zmeny v ?om nepodstatn? v porovnan? so zmenou stavu syst?mu. Na rozdiel od mechanick?ch syst?mov, ktor? pozost?vaj? z jedn?ho alebo viacer?ch telies, termodynamick? syst?m obsahuje ve?mi ve?k? mno?stvo ?ast?c, ?o d?va vznik ?plne nov?m vlastnostiam a vy?aduje si r?zne pr?stupy k popisu stavu a spr?vania tak?chto syst?mov. Termodynamick? syst?m je makroskopick? objekt.

Klasifik?cia termodynamick?ch syst?mov

1. Zlo?enie

Termodynamick? syst?m pozost?va z komponentov. Komponent - ide o l?tku, ktor? m??e by? izolovan? zo syst?mu a existuje mimo neho, t.j. zlo?ky s? nez?visl? l?tky.

Jednozlo?kov?.

Dvojzlo?kov? alebo bin?rny.

Trojzlo?kov? - trojit?.

Viaczlo?kov?.

2. Pod?a f?zov?ho zlo?enia- homog?nny a heterog?nny

homog?nne syst?my maj? rovnak? makroskopick? vlastnosti v ktoromko?vek bode syst?mu, predov?etk?m teplota, tlak, koncentr?cia a mnoh? in?, ako index lomu, permitivita, kry?t?lov? ?trukt?ra at?. Homog?nne syst?my pozost?vaj? z jednej f?zy.

F?za- ide o homog?nnu ?as? syst?mu, oddelen? od ostatn?ch f?z rozhran?m a charakterizovan? vlastnou stavovou rovnicou. F?za a stav agreg?cie sa prekr?vaj?, ale nie s? toto?n?. Existuj? len 4 stavy agreg?cie, f?z m??e by? ove?a viac.

Heterog?nne syst?my pozost?vaj? najmenej z dvoch f?z.

3. Pod?a typov spojen? s prostred?m(pod?a mo?nost? v?meny s okol?m).

Izolovan? Syst?m si nevymie?a energiu ani hmotu s okol?m. Ide o idealizovan? syst?m, ktor? v z?sade nie je mo?n? experiment?lne ?tudova?.

ZATVOREN? syst?m si m??e vymie?a? energiu s okol?m, ale nevymie?a hmotu.

OTVOREN? syst?m vymie?a energiu aj hmotu

Stav TDS

Stav TDS je s?hrn v?etk?ch jeho merate?n?ch makroskopick?ch vlastnost?, ktor? maj? teda kvantitat?vne vyjadrenie. Makroskopick? charakter vlastnost? znamen?, ?e ich mo?no prip?sa? iba syst?mu ako celku, a nie jednotliv?m ?asticiam, ktor? tvoria TDS (T, p, V, c, U, n k). Kvantitat?vne charakteristiky ?t?tu s? vz?jomne prepojen?. Preto existuje minim?lny s?bor charakterist?k syst?mu, tzv parametre , ktor?ho nastavenie umo??uje ?plne op?sa? vlastnosti syst?mu. Po?et t?chto parametrov z?vis? od typu syst?mu. V najjednoduch?om pr?pade pre uzavret? homog?nny plynov? syst?m v rovnov?he sta?? zada? len 2 parametre. Pre otvoren? syst?m je okrem t?chto 2 charakterist?k syst?mu potrebn? ?pecifikova? po?et m?lov ka?dej zlo?ky.

Termodynamick? premenn? sa delia na:

- extern?, ktor? s? ur?en? vlastnos?ami a s?radnicami syst?mu v prostred? a z?visia od kontaktov syst?mu s prostred?m, napr?klad hmotnos? a po?et komponentov, intenzita elektrick?ho po?a, po?et tak?chto premenn?ch je obmedzen?;

- intern?, ktor? charakterizuj? vlastnosti syst?mu, napr?klad hustotu, vn?torn? energiu, po?et tak?chto parametrov je neobmedzen?;

- rozsiahly, ktor? s? priamo ?mern? hmotnosti syst?mu alebo po?tu ?ast?c, napr?klad objem, energia, entropia, tepeln? kapacita;

-intenz?vne, ktor? nez?visia od hmotnosti syst?mu, napr?klad od teploty, tlaku.

Parametre TDS s? vz?jomne prepojen? vz?ahom, ktor? je tzv stavov? rovnica syst?mov. Celkov? poh?ad na to f(p, V , T)= 0. Jednou z najd?le?itej??ch ?loh FH je n?js? stavov? rovnicu pre ?ubovo?n? syst?m. Zatia? je presn? stavov? rovnica zn?ma len pre ide?lne plyny (Clapeyron-Mendelejevova rovnica).

pV = nRT, ( 1.1)

kde R– univerz?lna plynov? kon?tanta = 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?lne plyny s? touto rovnicou op?san? len pribli?ne a ??m vy??? je tlak a ni??ia teplota, t?m v???ia je odch?lka od tejto stavovej rovnice.

Rozli?ova? rovnov?ha a nerovnov??ne stavu TDS.

Klasick? termodynamika sa zvy?ajne obmedzuje na uva?ovanie o rovnov??nych stavoch bl?zkych bin?rnych syst?mov. Rovnov?ha - to je stav, do ktor?ho TDS spont?nne prich?dza, a v ktorom m??e existova? neobmedzene dlho bez vonkaj??ch vplyvov. Na ur?enie rovnov??neho stavu je v?dy potrebn? men?? po?et parametrov ako pre nerovnov??ne syst?my.

Rovnov??ny stav sa del? na:

- udr?ate?n?(stabiln?) stav, v ktorom ka?d? nekone?ne mal? akcia sp?sob? len nekone?ne mal? zmenu stavu a ke? sa tento efekt odstr?ni, syst?m sa vr?ti do p?vodn?ho stavu;

- metastabiln? stav, v ktorom niektor? kone?n? vplyvy sp?sobuj? kone?n? zmeny stavu, ktor? po odstr?nen? t?chto vplyvov nezmizn?.

Zmena stavu TDS spojen? so zmenou aspo? jednej z jeho termodynamick?ch premenn?ch sa naz?va termodynamick? proces. Charakteristick?m znakom opisu termodynamick?ch procesov je, ?e nie s? charakterizovan? r?chlos?ou zmeny vlastnost?, ale ve?kos?ou zmien. Proces v termodynamike je postupnos? stavov syst?mu, ktor? vedie od po?iato?n?ho s?boru termodynamick?ch parametrov ku kone?n?mu. Existuj? nasleduj?ce termodynamick? procesy:

- spont?nny, na realiz?ciu ktor?ch nie je potrebn? vynaklada? energiu;

- nespont?nne, vyskytuj?ce sa len pri v?daji energie;

- nezvratn?(alebo nerovnov??ne) - ke? v d?sledku procesu nie je mo?n? vr?ti? syst?m do p?vodn?ho stavu.

-reverzibiln? s? idealizovan? procesy, ktor? id? tam a sp?? cez rovnak? medzistavy a po dokon?en? cyklu sa nezmen? ani syst?m, ani prostredie.

Stavov? funkcie s? charakteristiky syst?mu, ktor? z?visia len od parametrov stavu, ale nez?visia od sp?sobu jeho dosiahnutia.

Stavov? funkcie sa vyzna?uj? nasleduj?cimi vlastnos?ami:

Nekone?ne mal? zmena funkcie f je tot?lny diferenci?l df;

Zmena funkcie pri prechode zo stavu 1 do stavu 2 je ur?en? len t?mito stavmi ? df \u003d f 2 - f 1

V d?sledku ak?hoko?vek cyklick?ho procesu sa funkcia stavu nemen?, t.j. rovn? sa nule.

Teplo a pr?ca– sp?soby v?meny energie medzi CDS a ?ivotn?m prostred?m. Teplo a pr?ca s? charakteristiky procesu, nie s? to stavov? funkcie.

Pr?ca- forma v?meny energie na makroskopickej ?rovni, kedy doch?dza k usmernen?mu pohybu predmetu. Pr?ca sa pova?uje za pozit?vnu, ak ju syst?m vykon?va proti vonkaj??m sil?m.

Teplo- forma v?meny energie na mikroskopickej ?rovni, t.j. v podobe zmeny chaotick?ho pohybu molek?l. Je zvykom pova?ova? teplo prijat? syst?mom a pr?cu na ?om vykonan? za pozit?vne, t.j. funguje „egoistick? princ?p“. .

Najbe?nej?ie pou??van? jednotky energie a pr?ce, najm? v termodynamike, s? joule SI (J) a mimosyst?mov? jednotka, kal?ria (1 kal = 4,18 J).

V z?vislosti od povahy objektu existuj? r?zne typy pr?ce:

1. Mechanick? - pohyb tela

dA mech = - F ex dl.(2.1)

Pr?ca je skal?rny s??in 2 vektorov sily a posunutia, t.j.

|dА ko?u?ina | = F dl cosa. Ak je smer vonkaj?ej sily opa?n? k posunu vn?torn?ch s?l, potom cosa < 0.

2. Roz?iruj?ce pr?ce (najbe?nej?ie pova?ovan? expanzia plynu)

dА = - р dV (1.7)

Treba v?ak ma? na pam?ti, ?e tento v?raz plat? len pre reverzibiln? proces.

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

dА el = -jdq,(2.2)

kde j- elektrick? potenci?l.

4. povrchn? - zmena povrchu,

dA povrch = -sdS,(2.3)

kde s- povrchov? nap?tie.

5. V?eobecn? v?raz pre pr?cu

dА = - Ydx,(2.4)

Y- v?eobecn? sila, dx- zov?eobecnen? s?radnicu, tak?e pr?cu mo?no pova?ova? za produkt intenz?vneho faktora a zmeny v extenz?vnom.

6. V?etky druhy pr?c okrem expanzn?ch pr?c s? tzv u?ito?n? pr?ca (dA'). dА = рdV + dА’ (2,5)

7. Analogicky m??eme zavies? pojem chemick? pracova?, ke? sa pohybuje smerovo k chemick? l?tka, nk je extenz?vna vlastnos?, pri?om intenz?vny parameter m k naz?van? chemick? potenci?l k l?tka

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