A fizikusok és más tudományok képviselői sokáig képesek voltak leírni, mit figyelnek meg kísérleteik során. A konszenzus hiánya és a nagyszámú, „a semmiből” vett kifejezés jelenléte zavart és félreértéseket okozott a kollégákban. Idővel a fizika minden ága megszerezte a kialakult definícióit és mértékegységeit. Így jelentek meg a termodinamikai paraméterek, amelyek magyarázatot adnak a rendszer makroszkopikus változásaira.
Definíció
Az állapotparaméterek vagy termodinamikai paraméterek számos fizikai mennyiség, amelyek együtt és külön-külön is jellemezhetik a megfigyelt rendszert. Ide tartoznak az olyan fogalmak, mint:
- hőmérséklet és nyomás;
- koncentráció, mágneses indukció;
- entrópia;
- entalpia;
- Gibbs- és Helmholtz-energiák és még sokan mások.
Válasszon intenzív és kiterjedt paramétereket. Kiterjedt azok, amelyek közvetlenül függenek a termodinamikai rendszer tömegétől, illintenzív – amelyeket más kritériumok határoznak meg. Nem minden paraméter egyformán független, ezért a rendszer egyensúlyi állapotának kiszámításához több paramétert kell egyszerre meghatározni.
Emellett van néhány terminológiai nézeteltérés a fizikusok között. Ugyanazt a fizikai jellemzőt különböző szerzők nevezhetik akár folyamatnak, akár koordinátának, akár mennyiségnek, akár paraméternek, vagy akár csak tulajdonságnak. Minden attól függ, hogy a tudós milyen tartalomban használja. Bizonyos esetekben azonban vannak szabványosított ajánlások, amelyeket a dokumentumok, tankönyvek vagy megrendelések készítőinek be kell tartaniuk.
Osztályozás
A termodinamikai paramétereknek többféle osztályozása létezik. Tehát az első bekezdés alapján már ismert, hogy minden mennyiség felosztható:
- extenzív (adalékanyag) - az ilyen anyagok betartják az összeadás törvényét, azaz értékük az összetevők számától függ;
- intenzív - nem attól függnek, hogy mennyi anyagot vettek fel a reakcióhoz, mivel az interakció során egy vonalba kerülnek.
A rendszert alkotó anyagok elhelyezkedési körülményei alapján a mennyiségek fázisreakciókat és kémiai reakciókat leíró mennyiségekre oszthatók. Ezenkívül figyelembe kell venni a reaktánsok tulajdonságait. Ezek lehetnek:
- termomechanikus;
- termofizikai;
- termokémiai.
Ezen kívül minden termodinamikai rendszer ellát egy bizonyos funkciót, így a paraméterekjellemezze a reakció eredményeként keletkező munkát vagy hőt, és lehetővé teszi a részecskék tömegének átviteléhez szükséges energia kiszámítását is.
Állapotváltozók
Bármely rendszer állapota, beleértve a termodinamikait is, meghatározható tulajdonságainak vagy jellemzőinek kombinációjával. Termodinamikai állapotparamétereknek (változóknak) vagy állapotfüggvényeknek nevezzük az összes olyan változót, amely csak egy adott pillanatban teljesen meghatározott, és nem függ attól, hogy a rendszer pontosan hogyan jutott ebbe az állapotba.
A rendszer állónak tekinthető, ha a változó funkciók nem változnak az idő múlásával. Az egyensúlyi állapot egyik változata a termodinamikai egyensúly. Bármilyen, még a legkisebb változás is a rendszerben, már folyamat, és egytől több változó termodinamikai állapotparamétert tartalmazhat. Azt a sorozatot, amelyben a rendszer állapotai folyamatosan átmennek egymásba, "folyamatútnak" nevezzük.
Sajnos továbbra is zavart okoz a kifejezés, mivel ugyanaz a változó lehet független és több rendszerfüggvény hozzáadásának eredménye is. Ezért az olyan kifejezések, mint az „állapotfüggvény”, „állapotparaméter”, „állapotváltozó” szinonimáknak tekinthetők.
Hőmérséklet
A termodinamikai rendszer állapotának egyik független paramétere a hőmérséklet. Ez egy olyan érték, amely az egységnyi részecskékre jutó mozgási energia mennyiségét jellemzitermodinamikai rendszer egyensúlyban.
Ha a fogalom meghatározását a termodinamika felől közelítjük meg, akkor a hőmérséklet az entrópia változásával fordítottan arányos érték a hő (energia) rendszerbe adása után. Amikor a rendszer egyensúlyban van, a hőmérséklet értéke minden "résztvevője" számára azonos. Ha hőmérsékletkülönbség van, akkor az energiát egy melegebb test adja le, és egy hidegebb veszi fel.
Vannak termodinamikai rendszerek, amelyekben az energia hozzáadásával a rendezetlenség (entrópia) nem növekszik, hanem csökken. Ezenkívül, ha egy ilyen rendszer kölcsönhatásba lép egy testtel, amelynek hőmérséklete magasabb, mint a sajáté, akkor ennek a testnek adja át kinetikus energiáját, és nem fordítva (a termodinamika törvényei alapján).
Nyomás
A nyomás olyan mennyiség, amely a testre ható, a felületére merőleges erőt jellemzi. Ennek a paraméternek a kiszámításához el kell osztani az erő teljes mennyiségét az objektum területével. Ennek az erőnek az egységei pascalok lesznek.
Termodinamikai paraméterek esetén a gáz a rendelkezésére álló teljes térfogatot elfoglalja, ráadásul az azt alkotó molekulák folyamatosan véletlenszerűen mozognak és ütköznek egymással és az edénnyel, amelyben elhelyezkednek.. Ezek a hatások határozzák meg az anyag nyomását az edény falára vagy a gázba helyezett testre. Az erő pontosan a kiszámíthatatlan miatt terjed minden iránybanmolekuláris mozgások. A nyomás növeléséhez növelni kell a rendszer hőmérsékletét, és fordítva.
Belső energia
A rendszer tömegétől függő fő termodinamikai paraméterek közé tartozik a belső energia. Ez az anyag molekuláinak mozgásából adódó kinetikus energiából, valamint a molekulák egymással való kölcsönhatása során megjelenő potenciális energiából áll.
Ez a paraméter egyértelmű. Vagyis a belső energia értéke állandó, amikor a rendszer a kívánt állapotban van, függetlenül attól, hogy azt (az állapotot) milyen úton érte el.
Lehetetlen megváltoztatni a belső energiát. Ez a rendszer által leadott hő és az általa termelt munka összege. Egyes folyamatoknál más paramétereket is figyelembe vesznek, mint például a hőmérsékletet, entrópiát, nyomást, potenciált és a molekulák számát.
Entrópia
A termodinamika második főtétele kimondja, hogy egy elszigetelt rendszer entrópiája nem csökken. Egy másik megfogalmazás azt feltételezi, hogy az energia soha nem jut át az alacsonyabb hőmérsékletű testből a melegebbbe. Ez viszont megtagadja egy örökmozgó létrehozásának lehetőségét, mivel lehetetlen a test rendelkezésére álló összes energiát munkába vinni.
Az entrópia fogalmát a 19. század közepén vezették be a használatba. Ezután a hőmennyiség és a rendszer hőmérsékletének változásaként fogták fel. De ez a meghatározás csak erre vonatkozikfolyamatosan egyensúlyban lévő folyamatok. Ebből a következő következtetést vonhatjuk le: ha a rendszert alkotó testek hőmérséklete nullára hajlik, akkor az entrópia is nulla lesz.
Az entrópia, mint a gázállapot termodinamikai paramétere, a véletlenszerűség, a részecskék mozgásának véletlenszerűségének mértékére utal. Arra használják, hogy meghatározzák a molekulák eloszlását egy bizonyos területen és edényben, vagy kiszámítsák az anyag ionjai közötti kölcsönhatás elektromágneses erejét.
Entalpia
Az entalpia az az energia, amely állandó nyomáson hővé (vagy munkává) alakítható. Ez egy olyan rendszer potenciálja, amely egyensúlyban van, ha a kutató ismeri az entrópia szintjét, a molekulák számát és a nyomást.
Ha egy ideális gáz termodinamikai paraméterét adjuk meg, az entalpia helyett a „bővített rendszer energiája” kifejezést használjuk. Annak érdekében, hogy ezt az értéket könnyebben elmagyarázzuk magunknak, elképzelhetünk egy gázzal töltött edényt, amelyet egy dugattyú egyenletesen összenyom (például belső égésű motor). Ebben az esetben az entalpia nemcsak az anyag belső energiájával lesz egyenlő, hanem azzal a munkával is, amelyet a rendszer kívánt állapotba hozása érdekében el kell végezni. Ennek a paraméternek a módosítása csak a rendszer kezdeti és végső állapotától függ, és a vétel módja nem számít.
Gibbs Energy
A termodinamikai paraméterek és folyamatok többnyire a rendszert alkotó anyagok energiapotenciáljához kapcsolódnak. Így a Gibbs-energia megegyezik a rendszer teljes kémiai energiájával. Megmutatja, milyen változások mennek végbe a kémiai reakciók során, és hogy az anyagok egyáltalán kölcsönhatásba lépnek-e.
A rendszer energiamennyiségének és hőmérsékletének változása a reakció során olyan fogalmakat érint, mint az entalpia és az entrópia. A két paraméter közötti különbséget Gibbs-energiának vagy izobár-izotermikus potenciálnak nevezzük.
Ennek az energiának a minimális értéke akkor figyelhető meg, ha a rendszer egyensúlyban van, és nyomása, hőmérséklete és anyagmennyisége változatlan marad.
Helmholtz Energy
Helmholtz-energia (más források szerint csak szabad energia) az a potenciális energiamennyiség, amelyet a rendszer elveszít, amikor kölcsönhatásba lép olyan testekkel, amelyek nem szerepelnek benne.
A Helmholtz-féle szabadenergia fogalmát gyakran használják annak meghatározására, hogy egy rendszer milyen maximális munkát tud végezni, azaz mennyi hő szabadul fel, amikor az anyagok egyik állapotból a másikba váltanak.
Ha a rendszer termodinamikai egyensúlyi állapotban van (vagyis nem működik), akkor a szabadenergia szintje minimális. Ez azt jelenti, hogy más paraméterek, például hőmérséklet,nyomás, a részecskék száma sem fordul elő.
