Për një kohë të gjatë, fizikanët dhe përfaqësuesit e shkencave të tjera kishin një mënyrë për të përshkruar atë që vëzhgonin gjatë eksperimenteve të tyre. Mungesa e konsensusit dhe prania e një numri të madh termash të nxjerra “nga bluja” solli konfuzion dhe keqkuptime mes kolegëve. Me kalimin e kohës, çdo degë e fizikës fitoi përkufizimet dhe njësitë e saj të matjes. Kështu u shfaqën parametrat termodinamikë, duke shpjeguar shumicën e ndryshimeve makroskopike në sistem.
Përkufizim
Parametrat e gjendjes, ose parametrat termodinamikë, janë një numër i madhësive fizike që së bashku dhe secila veç e veç mund të karakterizojnë sistemin e vëzhguar. Këto përfshijnë koncepte të tilla si:
- temperatura dhe presioni;
- përqendrimi, induksioni magnetik;
- entropi;
- entalpi;
- Energjitë Gibbs dhe Helmholtz dhe shumë të tjera.
Zgjidhni parametra intensivë dhe të gjerë. Të gjera janë ato që varen drejtpërdrejt nga masa e sistemit termodinamik, dheintensive – të cilat përcaktohen me kritere të tjera. Jo të gjithë parametrat janë njësoj të pavarur, prandaj, për të llogaritur gjendjen e ekuilibrit të sistemit, është e nevojshme të përcaktohen disa parametra njëherësh.
Përveç kësaj, ka disa mosmarrëveshje terminologjike midis fizikanëve. E njëjta karakteristikë fizike mund të quhet nga autorë të ndryshëm ose një proces, ose një koordinatë, ose një sasi, ose një parametër, ose edhe thjesht një veti. E gjitha varet nga përmbajtja në të cilën shkencëtari e përdor atë. Por në disa raste, ka rekomandime të standardizuara që hartuesit e dokumenteve, teksteve ose urdhrave duhet t'u përmbahen.
Klasifikimi
Ka disa klasifikime të parametrave termodinamikë. Pra, bazuar në paragrafin e parë, tashmë dihet se të gjitha sasitë mund të ndahen në:
- ekstensive (aditiv) - substanca të tilla i binden ligjit të shtimit, domethënë vlera e tyre varet nga numri i përbërësve;
- intensive - ato nuk varen nga sasia e substancës që është marrë për reaksionin, pasi ato janë në linjë gjatë ndërveprimit.
Bazuar në kushtet në të cilat ndodhen substancat që përbëjnë sistemin, sasitë mund të ndahen në ato që përshkruajnë reaksionet fazore dhe reaksionet kimike. Përveç kësaj, duhet të merren parasysh edhe vetitë e reaktantëve. Ato mund të jenë:
- termomekanike;
- termofizike;
- termokimik.
Përveç kësaj, çdo sistem termodinamik kryen një funksion të caktuar, kështu që parametrat mund tëkarakterizoni punën ose nxehtësinë e prodhuar si rezultat i reaksionit, dhe gjithashtu ju lejon të llogaritni energjinë e nevojshme për të transferuar masën e grimcave.
Ndryshoret e gjendjes
Gjendja e çdo sistemi, duke përfshirë termodinamik, mund të përcaktohet nga një kombinim i vetive ose karakteristikave të tij. Të gjitha variablat që përcaktohen plotësisht vetëm në një moment të caktuar kohor dhe nuk varen nga mënyra se si saktësisht sistemi erdhi në këtë gjendje quhen parametra të gjendjes termodinamike (variabla) ose funksione të gjendjes.
Sistemi konsiderohet i palëvizshëm nëse funksionet e ndryshueshme nuk ndryshojnë me kalimin e kohës. Një version i gjendjes së qëndrueshme është ekuilibri termodinamik. Çdo, qoftë edhe ndryshimi më i vogël në sistem, është tashmë një proces dhe mund të përmbajë nga një në disa parametra të ndryshueshëm të gjendjes termodinamike. Sekuenca në të cilën gjendjet e sistemit kalojnë vazhdimisht në njëra-tjetrën quhet "rruga e procesit".
Fatkeqësisht, ka ende konfuzion me termat, pasi e njëjta ndryshore mund të jetë edhe e pavarur dhe rezultat i shtimit të disa funksioneve të sistemit. Prandaj, termat si "funksioni i gjendjes", "parametri i gjendjes", "ndryshorja e gjendjes" mund të konsiderohen si sinonime.
Temperatura
Një nga parametrat e pavarur të gjendjes së një sistemi termodinamik është temperatura. Është një vlerë që karakterizon sasinë e energjisë kinetike për njësi të grimcave nësistemi termodinamik në ekuilibër.
Nëse i qasemi përkufizimit të konceptit nga pikëpamja e termodinamikës, atëherë temperatura është një vlerë në përpjesëtim të zhdrejtë me ndryshimin e entropisë pas shtimit të nxehtësisë (energjisë) në sistem. Kur sistemi është në ekuilibër, vlera e temperaturës është e njëjtë për të gjithë "pjesëmarrësit" e tij. Nëse ka një ndryshim në temperaturë, atëherë energjia lëshohet nga një trup më i nxehtë dhe absorbohet nga një trup më i ftohtë.
Ka sisteme termodinamike në të cilat kur shtohet energjia, çrregullimi (entropia) nuk rritet, por përkundrazi zvogëlohet. Përveç kësaj, nëse një sistem i tillë ndërvepron me një trup, temperatura e të cilit është më e madhe se e tij, atëherë ai do t'i japë energjinë e tij kinetike këtij trupi, dhe jo anasjelltas (bazuar në ligjet e termodinamikës).
Presion
Presioni është një sasi që karakterizon forcën që vepron mbi një trup, pingul me sipërfaqen e tij. Për të llogaritur këtë parametër, është e nevojshme të ndahet e gjithë sasia e forcës me sipërfaqen e objektit. Njësitë e kësaj force do të jenë paskale.
Në rastin e parametrave termodinamikë, gazi zë të gjithë vëllimin e disponueshëm për të dhe, përveç kësaj, molekulat që e përbëjnë atë lëvizin vazhdimisht në mënyrë të rastësishme dhe përplasen me njëra-tjetrën dhe me enën në të cilën ndodhen.. Janë këto ndikime që përcaktojnë presionin e substancës në muret e enës ose në trupin që vendoset në gaz. Forca përhapet në mënyrë të barabartë në të gjitha drejtimet pikërisht për shkak të të paparashikueshmeslëvizjet molekulare. Për të rritur presionin, duhet të rrisni temperaturën e sistemit dhe anasjelltas.
Energjia e brendshme
Parametrat kryesorë termodinamikë që varen nga masa e sistemit përfshijnë energjinë e brendshme. Ai përbëhet nga energjia kinetike për shkak të lëvizjes së molekulave të një substance, si dhe nga energjia potenciale që shfaqet kur molekulat ndërveprojnë me njëra-tjetrën.
Ky parametër është i paqartë. Kjo do të thotë, vlera e energjisë së brendshme është konstante sa herë që sistemi është në gjendjen e dëshiruar, pavarësisht se në cilën mënyrë është arritur (gjendja).
Është e pamundur të ndryshosh energjinë e brendshme. Është shuma e nxehtësisë së lëshuar nga sistemi dhe punës që prodhon. Për disa procese, merren parasysh parametra të tjerë, si temperatura, entropia, presioni, potenciali dhe numri i molekulave.
Entropi
Ligji i dytë i termodinamikës thotë se entropia e një sistemi të izoluar nuk zvogëlohet. Një formulim tjetër postulon se energjia nuk kalon kurrë nga një trup me temperaturë më të ulët në një trup më të nxehtë. Kjo, nga ana tjetër, mohon mundësinë e krijimit të një makinerie me lëvizje të përhershme, pasi është e pamundur të transferohet e gjithë energjia e disponueshme për trupin në punë.
Vetë koncepti i "entropisë" u fut në përdorim në mesin e shekullit të 19-të. Pastaj u perceptua si një ndryshim në sasinë e nxehtësisë në temperaturën e sistemit. Por ky përkufizim vlen vetëm përprocese që janë vazhdimisht në ekuilibër. Nga kjo mund të nxjerrim përfundimin e mëposhtëm: nëse temperatura e trupave që përbëjnë sistemin priret në zero, atëherë edhe entropia do të jetë e barabartë me zero.
Entropia si parametër termodinamik i gjendjes së gazit përdoret si tregues i masës së rastësisë, rastësisë së lëvizjes së grimcave. Përdoret për të përcaktuar shpërndarjen e molekulave në një zonë dhe enë të caktuar, ose për të llogaritur forcën elektromagnetike të bashkëveprimit ndërmjet joneve të një substance.
Entalpi
Entalpia është energjia që mund të shndërrohet në nxehtësi (ose punë) me presion konstant. Ky është potenciali i një sistemi që është në ekuilibër nëse studiuesi njeh nivelin e entropisë, numrin e molekulave dhe presionin.
Nëse tregohet parametri termodinamik i një gazi ideal, në vend të entalpisë, përdoret formulimi "energjia e sistemit të zgjeruar". Për ta bërë më të lehtë shpjegimin e kësaj vlere për veten tonë, mund të imagjinojmë një enë të mbushur me gaz, e cila është e ngjeshur në mënyrë uniforme nga një pistoni (për shembull, një motor me djegie të brendshme). Në këtë rast, entalpia do të jetë e barabartë jo vetëm me energjinë e brendshme të substancës, por edhe me punën që duhet bërë për ta sjellë sistemin në gjendjen e kërkuar. Ndryshimi i këtij parametri varet vetëm nga gjendja fillestare dhe përfundimtare e sistemit dhe mënyra se si do të merret nuk ka rëndësi.
Gibbs Energy
Parametrat dhe proceset termodinamike, në pjesën më të madhe, lidhen me potencialin energjetik të substancave që përbëjnë sistemin. Kështu, energjia e Gibbs-it është ekuivalenti i energjisë totale kimike të sistemit. Ai tregon se çfarë ndryshimesh do të ndodhin gjatë rrjedhës së reaksioneve kimike dhe nëse substancat do të ndërveprojnë fare.
Ndryshimi i sasisë së energjisë dhe temperaturës së sistemit gjatë rrjedhës së reaksionit ndikon në koncepte të tilla si entalpia dhe entropia. Dallimi midis këtyre dy parametrave do të quhet energjia Gibbs ose potenciali izobarik-izotermik.
Vlera minimale e kësaj energjie vërehet nëse sistemi është në ekuilibër dhe presioni, temperatura dhe sasia e lëndës mbeten të pandryshuara.
Energjia Helmholtz
Energjia Helmholtz (sipas burimeve të tjera - vetëm energji e lirë) është sasia potenciale e energjisë që do të humbet nga sistemi kur ndërvepron me trupat që nuk përfshihen në të.
Koncepti i energjisë së lirë Helmholtz përdoret shpesh për të përcaktuar se çfarë pune maksimale mund të kryejë një sistem, domethënë sa nxehtësi lirohet kur substancat ndryshojnë nga një gjendje në tjetrën.
Nëse sistemi është në një gjendje ekuilibri termodinamik (d.m.th., ai nuk bën asnjë punë), atëherë niveli i energjisë së lirë është në minimum. Kjo do të thotë se ndryshimi i parametrave të tjerë, si temperatura,presioni, numri i grimcave gjithashtu nuk ndodh.
