Дълго време физици и представители на други науки имаха начин да опишат това, което наблюдават в хода на своите експерименти. Липсата на консенсус и наличието на голям брой термини, взети „от небето“, доведоха до объркване и недоразумения сред колегите. С течение на времето всеки клон на физиката придоби своите установени дефиниции и мерни единици. Ето как се появиха термодинамичните параметри, обясняващи повечето от макроскопските промени в системата.
Определение
Параметрите на състоянието или термодинамичните параметри са редица физически величини, които заедно и всяка поотделно могат да характеризират наблюдаваната система. Те включват понятия като:
- температура и налягане;
- концентрация, магнитна индукция;
- ентропия;
- enthalpy;
- Енергии на Гибс и Хелмхолц и много други.
Изберете интензивни и екстензивни параметри. Обширни са тези, които са пряко зависими от масата на термодинамичната система, иинтензивни - които се определят по други критерии. Не всички параметри са еднакво независими, следователно, за да се изчисли равновесното състояние на системата, е необходимо да се определят няколко параметъра наведнъж.
В допълнение, има някои терминологични разногласия между физиците. Една и съща физическа характеристика може да бъде наречена от различни автори или процес, или координата, или количество, или параметър, или дори просто свойство. Всичко зависи от съдържанието, в което ученият го използва. Но в някои случаи има стандартизирани препоръки, които съставителите на документи, учебници или заповеди трябва да се придържат.
Класификация
Има няколко класификации на термодинамичните параметри. И така, въз основа на първия параграф вече е известно, че всички количества могат да бъдат разделени на:
- екстензивен (добавка) - такива вещества се подчиняват на закона за добавяне, тоест тяхната стойност зависи от броя на съставките;
- интензивни - те не зависят от това колко от веществото е взето за реакцията, тъй като са подравнени по време на взаимодействието.
Въз основа на условията, при които се намират веществата, изграждащи системата, количествата могат да бъдат разделени на тези, които описват фазови реакции и химични реакции. Освен това трябва да се вземат предвид свойствата на реагентите. Те могат да бъдат:
- термомеханичен;
- термофизичен;
- термохимически.
Освен това, всяка термодинамична система изпълнява определена функция, така че параметрите могатхарактеризира работата или топлината, произведена в резултат на реакцията, и също така ви позволява да изчислите енергията, необходима за прехвърляне на масата на частиците.
Променливи на състоянието
Състоянието на всяка система, включително термодинамичната, може да се определи чрез комбинация от нейните свойства или характеристики. Всички променливи, които са напълно определени само в определен момент от време и не зависят от това как точно системата е стигнала до това състояние, се наричат параметри на термодинамично състояние (променливи) или функции на състоянието.
Системата се счита за неподвижна, ако променливите функции не се променят с течение на времето. Една от версиите на стационарното състояние е термодинамичното равновесие. Всяка, дори и най-малката промяна в системата, вече е процес и може да съдържа от един до няколко променливи параметри на термодинамично състояние. Последователността, в която състоянията на системата непрекъснато преминават едно в друго, се нарича "път на процеса".
За съжаление все още има объркване с термините, тъй като една и съща променлива може да бъде както независима, така и резултат от добавянето на няколко системни функции. Следователно термини като "функция на състоянието", "параметър на състоянието", "променлива на състоянието" могат да се считат за синоними.
Температура
Един от независимите параметри на състоянието на термодинамичната система е температурата. Това е стойност, която характеризира количеството кинетична енергия на единица частици втермодинамична система в равновесие.
Ако подходим към дефиницията на понятието от гледна точка на термодинамиката, тогава температурата е стойност, обратно пропорционална на промяната в ентропията след добавяне на топлина (енергия) към системата. Когато системата е в равновесие, стойността на температурата е една и съща за всички нейни "участници". Ако има температурна разлика, тогава енергията се отделя от по-горещо тяло и се абсорбира от по-студено.
Има термодинамични системи, в които при добавяне на енергия разстройството (ентропията) не се увеличава, а по-скоро намалява. Освен това, ако такава система взаимодейства с тяло, чиято температура е по-висока от нейната, тогава тя ще предаде кинетичната си енергия на това тяло, а не обратно (въз основа на законите на термодинамиката).
Налягане
Налягането е величина, която характеризира силата, действаща върху тяло, перпендикулярно на неговата повърхност. За да се изчисли този параметър, е необходимо да се раздели цялото количество сила на площта на обекта. Единиците на тази сила ще бъдат паскали.
В случай на термодинамични параметри газът заема целия обем, с който разполага, а освен това молекулите, които го изграждат, непрекъснато се движат произволно и се сблъскват една с друга и със съда, в който се намират. Именно тези въздействия определят налягането на веществото върху стените на съда или върху тялото, което е поставено в газа. Силата се разпространява еднакво във всички посоки именно поради непредвидимотомолекулярни движения. За да увеличите налягането, трябва да увеличите температурата на системата и обратно.
Вътрешна енергия
Основните термодинамични параметри, които зависят от масата на системата, включват вътрешна енергия. Състои се от кинетичната енергия, дължаща се на движението на молекулите на веществото, както и от потенциалната енергия, която се появява, когато молекулите взаимодействат една с друга.
Този параметър е недвусмислен. Това означава, че стойността на вътрешната енергия е постоянна винаги, когато системата е в желаното състояние, независимо по кой начин е достигнато (състоянието).
Невъзможно е да се промени вътрешната енергия. Това е сумата от топлината, отделена от системата, и работата, която тя произвежда. За някои процеси се вземат предвид други параметри, като температура, ентропия, налягане, потенциал и брой молекули.
Ентропия
Вторият закон на термодинамиката гласи, че ентропията на изолирана система не намалява. Друга формулировка постулира, че енергията никога не преминава от тяло с по-ниска температура към по-горещо. Това от своя страна отрича възможността за създаване на вечен двигател, тъй като е невъзможно цялата енергия, налична на тялото, да се прехвърли в работа.
Самото понятие "ентропия" е въведено в употреба в средата на 19-ти век. Тогава това се възприема като промяна в количеството топлина към температурата на системата. Но това определение се отнася само запроцеси, които са постоянно в равновесие. От това можем да направим следния извод: ако температурата на телата, които съставляват системата, клони към нула, тогава ентропията също ще бъде равна на нула.
Ентропията като термодинамичен параметър на газовото състояние се използва като индикация за мярката за случайност, случайност на движението на частиците. Използва се за определяне на разпределението на молекулите в определена област и съд или за изчисляване на електромагнитната сила на взаимодействие между йоните на веществото.
Енталпия
Енталпията е енергията, която може да се преобразува в топлина (или работа) при постоянно налягане. Това е потенциалът на система, която е в равновесие, ако изследователят знае нивото на ентропия, броя на молекулите и налягането.
Ако е посочен термодинамичният параметър на идеален газ, вместо енталпия, се използва формулировката "енергия на разширената система". За да улесним да си обясним тази стойност, можем да си представим съд, пълен с газ, който е равномерно компресиран от бутало (например двигател с вътрешно горене). В този случай енталпията ще бъде равна не само на вътрешната енергия на веществото, но и на работата, която трябва да се извърши, за да се приведе системата в необходимото състояние. Промяната на този параметър зависи само от първоначалното и крайното състояние на системата и начинът, по който ще бъде получен, няма значение.
Gibbs Energy
Термодинамичните параметри и процеси в по-голямата си част са свързани с енергийния потенциал на веществата, които изграждат системата. Така енергията на Гибс е еквивалентна на общата химическа енергия на системата. Показва какви промени ще настъпят в хода на химичните реакции и дали веществата изобщо ще взаимодействат.
Промяната на количеството енергия и температурата на системата по време на реакцията засяга понятия като енталпия и ентропия. Разликата между тези два параметъра ще се нарича енергия на Гибс или изобарно-изотермичен потенциал.
Минималната стойност на тази енергия се наблюдава, ако системата е в равновесие и нейното налягане, температура и количество материя остават непроменени.
Helmholtz Energy
Енергията на Хелмхолц (според други източници - само безплатна енергия) е потенциалното количество енергия, което ще бъде загубено от системата при взаимодействие с тела, които не са включени в нея.
Концепцията за свободната енергия на Хелмхолц често се използва, за да се определи каква максимална работа може да извърши една система, тоест колко топлина се отделя, когато веществата преминават от едно състояние в друго.
Ако системата е в състояние на термодинамично равновесие (тоест не върши никаква работа), тогава нивото на свободната енергия е минимално. Това означава, че промяната на други параметри, като температура,налягане, броят на частиците също не се появява.
