Lange tijd hadden natuurkundigen en vertegenwoordigers van andere wetenschappen een manier om te beschrijven wat ze tijdens hun experimenten waarnemen. Het gebrek aan consensus en de aanwezigheid van een groot aantal termen die "uit de lucht vallen" leidden tot verwarring en misverstanden bij collega's. In de loop van de tijd kreeg elke tak van de natuurkunde zijn gevestigde definities en meeteenheden. Dit is hoe thermodynamische parameters verschenen, die de meeste macroscopische veranderingen in het systeem verklaren.
Definitie
Statusparameters, of thermodynamische parameters, zijn een aantal fysieke grootheden die samen en elk afzonderlijk het waargenomen systeem kunnen karakteriseren. Deze omvatten concepten zoals:
- temperatuur en druk;
- concentratie, magnetische inductie;
- entropie;
- enthalpie;
- Gibbs en Helmholtz energieën en vele anderen.
Selecteer intensieve en uitgebreide parameters. Uitgebreid zijn die welke direct afhankelijk zijn van de massa van het thermodynamische systeem, enintensief - die worden bepaald door andere criteria. Niet alle parameters zijn even onafhankelijk, daarom is het nodig om meerdere parameters tegelijk te bepalen om de evenwichtstoestand van het systeem te berekenen.
Bovendien zijn er enkele terminologische meningsverschillen tussen natuurkundigen. Hetzelfde fysieke kenmerk kan door verschillende auteurs een proces, of een coördinaat, of een grootheid, of een parameter, of zelfs alleen maar een eigenschap worden genoemd. Het hangt allemaal af van de inhoud waarin de wetenschapper het gebruikt. Maar in sommige gevallen zijn er gestandaardiseerde aanbevelingen waaraan opstellers van documenten, studieboeken of bestellingen zich moeten houden.
Classificatie
Er zijn verschillende classificaties van thermodynamische parameters. Dus op basis van de eerste alinea is al bekend dat alle hoeveelheden kunnen worden onderverdeeld in:
- extensive (additief) - dergelijke stoffen gehoorzamen aan de wet van toevoeging, dat wil zeggen, hun waarde hangt af van het aantal ingrediënten;
- intense - ze zijn niet afhankelijk van hoeveel van de stof voor de reactie is ingenomen, omdat ze tijdens de interactie op één lijn liggen.
Op basis van de omstandigheden waaronder de stoffen waaruit het systeem bestaat zich bevinden, kunnen de hoeveelheden worden onderverdeeld in die welke fasereacties en chemische reacties beschrijven. Bovendien moet rekening worden gehouden met de eigenschappen van de reactanten. Ze kunnen zijn:
- thermomechanisch;
- thermofysisch;
- thermochemical.
Bovendien vervult elk thermodynamisch systeem een bepaalde functie, dus de parameters kunnenkarakteriseer het werk of de warmte die wordt geproduceerd als gevolg van de reactie, en laat u ook de energie berekenen die nodig is om de massa van deeltjes over te brengen.
Statusvariabelen
De toestand van elk systeem, inclusief thermodynamisch, kan worden bepaald door een combinatie van zijn eigenschappen of kenmerken. Alle variabelen die alleen op een bepaald moment volledig worden bepaald en niet afhankelijk zijn van hoe het systeem precies tot deze toestand is gekomen, worden thermodynamische toestandsparameters (variabelen) of toestandsfuncties genoemd.
Het systeem wordt als stationair beschouwd als de variabele functies in de loop van de tijd niet veranderen. Een versie van de stabiele toestand is thermodynamisch evenwicht. Elke, zelfs de kleinste verandering in het systeem, is al een proces en kan één tot meerdere variabele thermodynamische toestandsparameters bevatten. De volgorde waarin de toestanden van het systeem continu in elkaar overgaan, wordt het "procespad" genoemd.
Helaas is er nog steeds verwarring met de termen, aangezien dezelfde variabele zowel onafhankelijk kan zijn als het resultaat van het toevoegen van verschillende systeemfuncties. Daarom kunnen termen als "statusfunctie", "statusparameter", "statusvariabele" als synoniemen worden beschouwd.
Temperatuur
Een van de onafhankelijke parameters van de toestand van een thermodynamisch systeem is temperatuur. Het is een waarde die de hoeveelheid kinetische energie karakteriseert per eenheid deeltjes inthermodynamisch systeem in evenwicht.
Als we de definitie van het concept benaderen vanuit het oogpunt van thermodynamica, dan is de temperatuur een waarde die omgekeerd evenredig is met de verandering in entropie na toevoeging van warmte (energie) aan het systeem. Wanneer het systeem in evenwicht is, is de temperatuurwaarde hetzelfde voor al zijn "deelnemers". Als er een temperatuurverschil is, wordt de energie afgegeven door een heter lichaam en geabsorbeerd door een kouder lichaam.
Er zijn thermodynamische systemen waarin wanneer energie wordt toegevoegd, wanorde (entropie) niet toeneemt, maar juist afneemt. Bovendien, als zo'n systeem interageert met een lichaam waarvan de temperatuur hoger is dan het zijne, dan zal het zijn kinetische energie aan dit lichaam afstaan, en niet omgekeerd (gebaseerd op de wetten van de thermodynamica).
Druk
Druk is een grootheid die de kracht kenmerkt die op een lichaam werkt, loodrecht op het oppervlak. Om deze parameter te berekenen, is het noodzakelijk om de volledige hoeveelheid kracht te delen door het oppervlak van het object. De eenheden van deze kracht zijn pascal.
In het geval van thermodynamische parameters neemt het gas het volledige beschikbare volume in beslag, en bovendien bewegen de moleculen waaruit het bestaat constant willekeurig en botsen met elkaar en met het vat waarin ze zich bevinden. Het zijn deze stoten die de druk bepalen van de stof op de wanden van het vat of op het lichaam dat in het gas wordt geplaatst. Kracht plant zich gelijkmatig in alle richtingen voort, juist vanwege het onvoorspelbaremoleculaire bewegingen. Om de druk te verhogen, moet u de temperatuur van het systeem verhogen en vice versa.
Interne energie
De belangrijkste thermodynamische parameters die afhankelijk zijn van de massa van het systeem, omvatten interne energie. Het bestaat uit de kinetische energie die wordt veroorzaakt door de beweging van de moleculen van een stof, evenals uit de potentiële energie die ontstaat wanneer de moleculen met elkaar in wisselwerking staan.
Deze parameter is ondubbelzinnig. Dat wil zeggen, de waarde van interne energie is constant wanneer het systeem zich in de gewenste toestand bevindt, ongeacht op welke manier het (de toestand) werd bereikt.
Het is onmogelijk om de interne energie te veranderen. Het is de som van de warmte die door het systeem wordt afgegeven en de arbeid die het produceert. Voor sommige processen wordt rekening gehouden met andere parameters, zoals temperatuur, entropie, druk, potentiaal en het aantal moleculen.
Entropie
De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de entropie van een geïsoleerd systeem niet afneemt. Een andere formulering stelt dat energie nooit van een lichaam met een lagere temperatuur naar een heter lichaam gaat. Dit ontkent op zijn beurt de mogelijkheid om een perpetuum mobile te creëren, aangezien het onmogelijk is om alle energie die beschikbaar is voor het lichaam om te zetten in werk.
Het concept van 'entropie' werd in het midden van de 19e eeuw in gebruik genomen. Toen werd het waargenomen als een verandering in de hoeveelheid warmte in de temperatuur van het systeem. Maar deze definitie is alleen van toepassing op:processen die constant in evenwicht zijn. Hieruit kunnen we de volgende conclusie trekken: als de temperatuur van de lichamen waaruit het systeem bestaat naar nul neigt, dan zal de entropie ook gelijk zijn aan nul.
Entropie als thermodynamische parameter van de gastoestand wordt gebruikt als een indicatie van de mate van willekeur, willekeurigheid van deeltjesbeweging. Het wordt gebruikt om de verdeling van moleculen in een bepaald gebied en vat te bepalen, of om de elektromagnetische kracht van interactie tussen de ionen van een stof te berekenen.
Enthalpie
Enthalpie is de energie die bij constante druk kan worden omgezet in warmte (of arbeid). Dit is het potentieel van een systeem dat in evenwicht is als de onderzoeker het entropieniveau, het aantal moleculen en de druk kent.
Als de thermodynamische parameter van een ideaal gas wordt aangegeven, wordt in plaats van enthalpie de bewoording "energie van het uitgebreide systeem" gebruikt. Om het onszelf gemakkelijker te maken deze waarde uit te leggen, kunnen we ons een met gas gevuld vat voorstellen, dat gelijkmatig wordt samengedrukt door een zuiger (bijvoorbeeld een verbrandingsmotor). In dit geval zal de enthalpie niet alleen gelijk zijn aan de interne energie van de stof, maar ook aan het werk dat moet worden gedaan om het systeem in de vereiste toestand te brengen. Het wijzigen van deze parameter hangt alleen af van de begin- en eindstatus van het systeem, en de manier waarop deze wordt ontvangen, doet er niet toe.
Gibbs Energy
Thermodynamische parameters en processen worden voor het grootste deel geassocieerd met het energiepotentieel van de stoffen waaruit het systeem bestaat. De Gibbs-energie is dus het equivalent van de totale chemische energie van het systeem. Het laat zien welke veranderingen er zullen optreden in het verloop van chemische reacties en of stoffen überhaupt een wisselwerking zullen hebben.
Het veranderen van de hoeveelheid energie en temperatuur van het systeem tijdens de reactie heeft invloed op concepten als enthalpie en entropie. Het verschil tussen deze twee parameters wordt de Gibbs-energie of isobaar-isotherm potentieel genoemd.
De minimumwaarde van deze energie wordt waargenomen als het systeem in evenwicht is en de druk, temperatuur en hoeveelheid materie onveranderd blijven.
Helmholtz Energy
Helmholtz-energie (volgens andere bronnen - gewoon gratis energie) is de potentiële hoeveelheid energie die door het systeem verloren gaat bij interactie met lichamen die er niet in zijn opgenomen.
Het concept van Helmholtz-vrije energie wordt vaak gebruikt om te bepalen welk maximale werk een systeem kan uitvoeren, dat wil zeggen hoeveel warmte er vrijkomt wanneer stoffen van de ene toestand naar de andere gaan.
Als het systeem zich in een staat van thermodynamisch evenwicht bevindt (dat wil zeggen, het doet geen werk), dan is het niveau van vrije energie minimaal. Dit betekent dat het wijzigen van andere parameters, zoals temperatuur,druk, het aantal deeltjes komt ook niet voor.
