Ilgu laiku fiziķiem un citu zinātņu pārstāvjiem bija veids, kā aprakstīt to, ko viņi novēroja eksperimentu laikā. Vienprātības trūkums un liela skaita "no zila gaisa" izņemto terminu klātbūtne radīja kolēģu neizpratni un pārpratumus. Laika gaitā katra fizikas nozare ieguva savas noteiktās definīcijas un mērvienības. Tādā veidā parādījās termodinamiskie parametri, kas izskaidro lielāko daļu sistēmas makroskopisko izmaiņu.
Definīcija
Stāvokļa parametri jeb termodinamiskie parametri ir vairāki fizikāli lielumi, kas kopā un katrs atsevišķi var raksturot novēroto sistēmu. Tie ietver tādus jēdzienus kā:
- temperatūra un spiediens;
- koncentrācija, magnētiskā indukcija;
- entropija;
- entalpija;
- Gibsa un Helmholca enerģijas un daudzas citas.
Atlasiet intensīvus un plašus parametrus. Plaši ir tie, kas ir tieši atkarīgi no termodinamiskās sistēmas masas, unintensīvas – kuras nosaka citi kritēriji. Ne visi parametri ir vienlīdz neatkarīgi, tāpēc, lai aprēķinātu sistēmas līdzsvara stāvokli, ir nepieciešams noteikt vairākus parametrus vienlaikus.
Turklāt fiziķu starpā pastāv dažas terminoloģiskas domstarpības. Vienu un to pašu fizisko raksturlielumu dažādi autori var saukt par procesu, vai koordinātu, vai daudzumu, vai parametru, vai pat tikai īpašību. Tas viss ir atkarīgs no satura, kurā zinātnieks to izmanto. Taču dažos gadījumos ir standartizēti ieteikumi, kas ir jāievēro dokumentu, mācību grāmatu vai pasūtījumu izstrādātājiem.
Klasifikācija
Ir vairākas termodinamisko parametru klasifikācijas. Tātad, pamatojoties uz pirmo rindkopu, jau ir zināms, ka visus daudzumus var sadalīt:
- plašas (piedevas) - šādas vielas pakļaujas pievienošanas likumam, tas ir, to vērtība ir atkarīga no sastāvdaļu skaita;
- intensīvi - tie nav atkarīgi no tā, cik daudz vielas tika uzņemts reakcijai, jo mijiedarbības laikā tie ir izlīdzināti.
Pamatojoties uz apstākļiem, kādos atrodas sistēmu veidojošās vielas, daudzumus var iedalīt tajos, kas raksturo fāzu reakcijas un ķīmiskās reakcijas. Turklāt jāņem vērā reaģentu īpašības. Tie var būt:
- termomehāniska;
- termofizisks;
- termoķīmiskā.
Turklāt jebkura termodinamiskā sistēma veic noteiktu funkciju, tāpēc parametri varraksturot reakcijas rezultātā radīto darbu vai siltumu, kā arī ļauj aprēķināt daļiņu masas pārnesei nepieciešamo enerģiju.
Stāvokļa mainīgie
Jebkuras sistēmas stāvokli, tostarp termodinamisko, var noteikt, apvienojot tās īpašības vai raksturlielumus. Visi mainīgie, kas ir pilnībā noteikti tikai noteiktā laika brīdī un nav atkarīgi no tā, kā tieši sistēma nonāca šajā stāvoklī, tiek saukti par termodinamiskā stāvokļa parametriem (mainīgajiem) vai stāvokļa funkcijām.
Sistēmu uzskata par nekustīgu, ja mainīgās funkcijas laika gaitā nemainās. Viena no līdzsvara stāvokļa versijām ir termodinamiskais līdzsvars. Jebkuras, pat vismazākās izmaiņas sistēmā, jau ir process, un tajā var būt no viena līdz vairākiem mainīgiem termodinamiskā stāvokļa parametriem. Secību, kurā sistēmas stāvokļi nepārtraukti pāriet viens otrā, sauc par "procesa ceļu".
Diemžēl joprojām pastāv neskaidrības ar terminiem, jo viens un tas pats mainīgais var būt gan neatkarīgs, gan vairāku sistēmas funkciju pievienošanas rezultāts. Tāpēc tādus terminus kā "stāvokļa funkcija", "stāvokļa parametrs", "stāvokļa mainīgais" var uzskatīt par sinonīmiem.
Temperatūra
Viens no neatkarīgiem termodinamiskās sistēmas stāvokļa parametriem ir temperatūra. Tā ir vērtība, kas raksturo kinētiskās enerģijas daudzumu uz daļiņu vienībutermodinamiskā sistēma līdzsvarā.
Ja pieejam jēdziena definīcijai no termodinamikas viedokļa, tad temperatūra ir vērtība, kas ir apgriezti proporcionāla entropijas izmaiņām pēc siltuma (enerģijas) pievienošanas sistēmai. Kad sistēma ir līdzsvarā, temperatūras vērtība visiem tās "dalībniekiem" ir vienāda. Ja ir temperatūras starpība, tad enerģiju atdod karstāks ķermenis un absorbē aukstāks.
Ir termodinamiskās sistēmas, kurās, pievienojot enerģiju, nekārtība (entropija) nevis palielinās, bet gan samazinās. Turklāt, ja šāda sistēma mijiedarbojas ar ķermeni, kura temperatūra ir augstāka par paša ķermeņa temperatūru, tad tā atdos savu kinētisko enerģiju šim ķermenim, nevis otrādi (balstoties uz termodinamikas likumiem).
Spiediens
Spiediens ir lielums, kas raksturo spēku, kas iedarbojas uz ķermeni, perpendikulāri tā virsmai. Lai aprēķinātu šo parametru, viss spēka apjoms ir jāsadala ar objekta laukumu. Šī spēka mērvienības būs paskāli.
Termodinamisko parametru gadījumā gāze aizņem visu tai pieejamo tilpumu, turklāt molekulas, kas to veido, pastāvīgi nejauši pārvietojas un saduras savā starpā un ar trauku, kurā tās atrodas. Tieši šīs ietekmes nosaka vielas spiedienu uz trauka sieniņām vai ķermeni, kas ievietots gāzē. Spēks izplatās vienādi visos virzienos tieši neparedzamā dēļmolekulārās kustības. Lai palielinātu spiedienu, jums ir jāpaaugstina sistēmas temperatūra un otrādi.
Iekšējā enerģija
Galvenie termodinamiskie parametri, kas ir atkarīgi no sistēmas masas, ietver iekšējo enerģiju. To veido kinētiskā enerģija, ko rada vielas molekulu kustība, kā arī potenciālā enerģija, kas parādās, molekulām savstarpēji mijiedarbojoties.
Šis parametrs ir nepārprotams. Tas nozīmē, ka iekšējās enerģijas vērtība ir nemainīga vienmēr, kad sistēma atrodas vēlamajā stāvoklī, neatkarīgi no tā, kādā veidā tā (stāvoklis) tika sasniegta.
Iekšējo enerģiju nav iespējams mainīt. Tā ir sistēmas izdalītā siltuma un tās saražotā darba summa. Dažiem procesiem tiek ņemti vērā citi parametri, piemēram, temperatūra, entropija, spiediens, potenciāls un molekulu skaits.
Entropija
Otrais termodinamikas likums nosaka, ka izolētas sistēmas entropija nesamazinās. Cits formulējums apgalvo, ka enerģija nekad nepāriet no ķermeņa ar zemāku temperatūru uz karstāku. Tas savukārt liedz iespēju izveidot mūžīgo kustību mašīnu, jo nav iespējams visu ķermenim pieejamo enerģiju nodot darbā.
Pats "entropijas" jēdziens tika ieviests 19. gadsimta vidū. Tad tas tika uztverts kā siltuma daudzuma izmaiņas sistēmas temperatūrā. Bet šī definīcija attiecas tikai uzprocesi, kas pastāvīgi atrodas līdzsvarā. No tā varam izdarīt šādu secinājumu: ja sistēmu veidojošo ķermeņu temperatūrai ir tendence uz nulli, tad arī entropija būs vienāda ar nulli.
Entropija kā gāzes stāvokļa termodinamiskais parametrs tiek izmantota kā norāde uz nejaušības, daļiņu kustības nejaušības mēru. To izmanto, lai noteiktu molekulu sadalījumu noteiktā apgabalā un traukā vai lai aprēķinātu vielas jonu mijiedarbības elektromagnētisko spēku.
Entalpija
Entalpija ir enerģija, ko var pārvērst siltumā (vai darbā) pastāvīgā spiedienā. Tas ir sistēmas potenciāls, kas atrodas līdzsvarā, ja pētnieks zina entropijas līmeni, molekulu skaitu un spiedienu.
Ja norādīts ideālas gāzes termodinamiskais parametrs, entalpijas vietā izmanto formulējumu "paplašinātās sistēmas enerģija". Lai šo vērtību būtu vieglāk sev izskaidrot, varam iedomāties ar gāzi pildītu trauku, kuru vienmērīgi saspiež virzulis (piemēram, iekšdedzes dzinējs). Šajā gadījumā entalpija būs vienāda ne tikai ar vielas iekšējo enerģiju, bet arī ar darbu, kas jāveic, lai sistēma nonāktu vajadzīgajā stāvoklī. Šī parametra maiņa ir atkarīga tikai no sistēmas sākotnējā un beigu stāvokļa, un veids, kādā tas tiks saņemts, nav svarīgs.
Gibbs Energy
Termodinamiskie parametri un procesi lielākoties ir saistīti ar sistēmu veidojošo vielu enerģijas potenciālu. Tādējādi Gibsa enerģija ir ekvivalenta sistēmas kopējai ķīmiskajai enerģijai. Tas parāda, kādas izmaiņas notiks ķīmisko reakciju gaitā un vai vielas vispār mijiedarbosies.
Sistēmas enerģijas daudzuma un temperatūras maiņa reakcijas gaitā ietekmē tādus jēdzienus kā entalpija un entropija. Atšķirība starp šiem diviem parametriem tiks saukta par Gibsa enerģiju vai izobarisko-izotermisko potenciālu.
Šīs enerģijas minimālā vērtība tiek novērota, ja sistēma ir līdzsvarā un tās spiediens, temperatūra un vielas daudzums nemainās.
Helmholca enerģija
Helmholca enerģija (pēc citiem avotiem - tikai brīvā enerģija) ir potenciālais enerģijas daudzums, ko sistēma pazaudēs, mijiedarbojoties ar tajā neiekļautajiem ķermeņiem.
Helmholca brīvās enerģijas jēdzienu bieži izmanto, lai noteiktu, kādu maksimālo darbu sistēma spēj veikt, tas ir, cik daudz siltuma izdalās, vielām mainoties no viena stāvokļa citā.
Ja sistēma atrodas termodinamiskā līdzsvara stāvoklī (tas ir, tā nedarbojas), tad brīvās enerģijas līmenis ir minimāls. Tas nozīmē, ka, mainot citus parametrus, piemēram, temperatūru,spiedienu, daļiņu skaits arī nenotiek.
