De multă vreme, fizicienii și reprezentanții altor științe au avut o modalitate de a descrie ceea ce observă în cursul experimentelor lor. Lipsa consensului și prezența unui număr mare de termeni scoși „din senin” au dus la confuzie și neînțelegeri în rândul colegilor. De-a lungul timpului, fiecare ramură a fizicii și-a dobândit definițiile și unitățile de măsură stabilite. Așa au apărut parametrii termodinamici, explicând majoritatea modificărilor macroscopice din sistem.
Definiție
Parametrii de stat, sau parametrii termodinamici, sunt un număr de mărimi fizice care împreună și fiecare separat pot caracteriza sistemul observat. Acestea includ concepte precum:
- temperatură și presiune;
- concentrație, inducție magnetică;
- entropie;
- entalpie;
- Eneriile Gibbs și Helmholtz și multe altele.
Selectați parametrii intensivi și extinși. Extensive sunt cele care depind direct de masa sistemului termodinamic șiintensive – care sunt determinate de alte criterii. Nu toți parametrii sunt la fel de independenți, prin urmare, pentru a calcula starea de echilibru a sistemului, este necesar să se determine mai mulți parametri deodată.
În plus, există unele dezacorduri terminologice între fizicieni. Aceeași caracteristică fizică poate fi numită de diferiți autori fie un proces, fie o coordonată, fie o cantitate, fie un parametru, fie chiar doar o proprietate. Totul depinde de conținutul în care omul de știință îl folosește. Dar, în unele cazuri, există recomandări standardizate pe care redactorii de documente, manuale sau comenzi trebuie să le respecte.
Clasificare
Există mai multe clasificări ale parametrilor termodinamici. Deci, pe baza primului paragraf, se știe deja că toate cantitățile pot fi împărțite în:
- extensiv (aditiv) - astfel de substanțe respectă legea adunării, adică valoarea lor depinde de numărul de ingrediente;
- intense - nu depind de cât de multă substanță a fost luată pentru reacție, deoarece sunt aliniate în timpul interacțiunii.
În funcție de condițiile în care se află substanțele care alcătuiesc sistemul, cantitățile pot fi împărțite în cele care descriu reacții de fază și reacții chimice. În plus, trebuie luate în considerare proprietățile reactanților. Acestea pot fi:
- termomecanic;
- termofizic;
- termochimic.
Pe lângă aceasta, orice sistem termodinamic îndeplinește o anumită funcție, astfel încât parametrii potcaracterizează munca sau căldura produsă ca rezultat al reacției și, de asemenea, vă permit să calculați energia necesară pentru a transfera masa particulelor.
Variabile de stat
Starea oricărui sistem, inclusiv termodinamic, poate fi determinată printr-o combinație a proprietăților sau caracteristicilor acestuia. Toate variabilele care sunt complet determinate doar la un anumit moment în timp și nu depind de modul în care sistemul a ajuns exact în această stare se numesc parametri (variabile) de stare termodinamică sau funcții de stare.
Sistemul este considerat staționar dacă funcțiile variabilelor nu se modifică în timp. O versiune a stării de echilibru este echilibrul termodinamic. Orice, chiar și cea mai mică modificare a sistemului, este deja un proces și poate conține de la unul la mai mulți parametri variabili de stare termodinamică. Secvența în care stările sistemului trece continuu una în alta se numește „calea procesului”.
Din păcate, există încă confuzie cu termenii, deoarece aceeași variabilă poate fi atât independentă, cât și rezultatul adăugării mai multor funcții de sistem. Prin urmare, termeni precum „funcție de stare”, „parametru de stare”, „variabilă de stare” pot fi considerați sinonimi.
Temperatura
Unul dintre parametrii independenți ai stării unui sistem termodinamic este temperatura. Este o valoare care caracterizează cantitatea de energie cinetică pe unitatea de particule însistem termodinamic în echilibru.
Dacă abordăm definiția conceptului din punctul de vedere al termodinamicii, atunci temperatura este o valoare invers proporțională cu modificarea entropiei după adăugarea de căldură (energie) în sistem. Când sistemul este în echilibru, valoarea temperaturii este aceeași pentru toți „participanții” săi. Dacă există o diferență de temperatură, atunci energia este eliberată de un corp mai fierbinte și absorbită de unul mai rece.
Există sisteme termodinamice în care atunci când se adaugă energie, dezordinea (entropia) nu crește, ci mai degrabă scade. În plus, dacă un astfel de sistem interacționează cu un corp a cărui temperatură este mai mare decât a sa, atunci va renunța la energia sa cinetică acestui corp și nu invers (pe baza legilor termodinamicii).
Presiune
Presiunea este o mărime care caracterizează forța care acționează asupra unui corp, perpendicular pe suprafața acestuia. Pentru a calcula acest parametru, este necesar să împărțiți întreaga cantitate de forță la aria obiectului. Unitățile acestei forțe vor fi pascali.
În cazul parametrilor termodinamici, gazul ocupă întregul volum de care dispune și, în plus, moleculele care îl alcătuiesc se mișcă în mod constant aleatoriu și se ciocnesc între ele și cu vasul în care se află.. Aceste impacturi determină presiunea substanței pe pereții vasului sau asupra corpului care este plasat în gaz. Forța se propagă în mod egal în toate direcțiile tocmai din cauza imprevizibiluluimișcări moleculare. Pentru a crește presiunea, trebuie să creșteți temperatura sistemului și invers.
Energie internă
Principalii parametri termodinamici care depind de masa sistemului includ energia internă. Se compune din energia cinetică datorată mișcării moleculelor unei substanțe, precum și din energia potențială care apare atunci când moleculele interacționează între ele.
Acest parametru nu este ambiguu. Adică, valoarea energiei interne este constantă ori de câte ori sistemul este în starea dorită, indiferent de modul în care a fost atinsă (starea).
Este imposibil să schimbi energia internă. Este suma căldurii degajate de sistem și a muncii pe care acesta o produce. Pentru unele procese, sunt luați în considerare alți parametri, cum ar fi temperatura, entropia, presiunea, potențialul și numărul de molecule.
Entropie
A doua lege a termodinamicii spune că entropia unui sistem izolat nu scade. O altă formulare postulează că energia nu trece niciodată de la un corp cu o temperatură mai scăzută la unul mai fierbinte. Acest lucru, la rândul său, neagă posibilitatea de a crea o mașină cu mișcare perpetuă, deoarece este imposibil să transferi toată energia disponibilă corpului în muncă.
Însuși conceptul de „entropie” a fost introdus în uz la mijlocul secolului al XIX-lea. Apoi a fost percepută ca o modificare a cantității de căldură față de temperatura sistemului. Dar această definiție se aplică doar pentruprocese care sunt constant în echilibru. Din aceasta putem trage următoarea concluzie: dacă temperatura corpurilor care alcătuiesc sistemul tinde spre zero, atunci entropia va fi și ea egală cu zero.
Entropia ca parametru termodinamic al stării gazului este folosită ca o indicație a măsurării aleatoriei, aleatorii a mișcării particulelor. Este folosit pentru a determina distribuția moleculelor într-o anumită zonă și vas sau pentru a calcula forța electromagnetică de interacțiune dintre ionii unei substanțe.
Entalpia
Entalpia este energia care poate fi transformată în căldură (sau muncă) la presiune constantă. Acesta este potențialul unui sistem care este în echilibru dacă cercetătorul cunoaște nivelul entropiei, numărul de molecule și presiunea.
Dacă este indicat parametrul termodinamic al unui gaz ideal, în loc de entalpie, se folosește formularea „energia sistemului extins”. Pentru a ne explica mai ușor această valoare, ne putem imagina un vas plin cu gaz, care este comprimat uniform de un piston (de exemplu, un motor cu ardere internă). În acest caz, entalpia va fi egală nu numai cu energia internă a substanței, ci și cu munca care trebuie făcută pentru a aduce sistemul în starea necesară. Modificarea acestui parametru depinde doar de starea inițială și finală a sistemului, iar modul în care va fi primit nu contează.
Gibbs Energy
Parametrii și procesele termodinamice, în cea mai mare parte, sunt asociate cu potențialul energetic al substanțelor care alcătuiesc sistemul. Astfel, energia Gibbs este echivalentul energiei chimice totale a sistemului. Acesta arată ce schimbări vor avea loc în cursul reacțiilor chimice și dacă substanțele vor interacționa deloc.
Schimbarea cantității de energie și a temperaturii sistemului în timpul reacției afectează concepte precum entalpia și entropia. Diferența dintre acești doi parametri va fi numită energie Gibbs sau potențial izobar-izotermic.
Valoarea minimă a acestei energii este observată dacă sistemul este în echilibru, iar presiunea, temperatura și cantitatea de materie rămân neschimbate.
Helmholtz Energy
Energia Helmholtz (conform altor surse - doar energie liberă) este cantitatea potențială de energie care va fi pierdută de sistem atunci când interacționează cu corpuri care nu sunt incluse în acesta.
Conceptul de energie liberă Helmholtz este adesea folosit pentru a determina ce lucru maxim poate efectua un sistem, adică câtă căldură este eliberată atunci când substanțele se schimbă dintr-o stare în alta.
Dacă sistemul este într-o stare de echilibru termodinamic (adică nu lucrează), atunci nivelul de energie liberă este la minim. Aceasta înseamnă că modificarea altor parametri, cum ar fi temperatura,presiune, numărul de particule de asemenea nu apare.
