termodynamika.pdf

termodynamika

Dział fizyki zajmujący się badaniem praw rządzących przemianą energii z jednej postaci

w inną, kierunkiem przepływu energii i możliwościami używania energii do wykonywania

pracy. Jest ona oparta na koncepcji zakładającej, że w układzie odosobnionym, leżącym

w dowolnej części Wszechświata, istnieje mierzalna ilość energii, zwana energią

wewnętrzną U układu. Jest to całkowita energia kinetyczna i potencjalna atomów

i cząsteczek różnego rodzaju, tworzących układ, którą można przekazać w postaci

ciepła; nie obejmuje ona zatem energii chemicznej i jądrowej. Wartość U może ulec

zmianie, jeśli układ przestaje być odosobniony. W tych okolicznościach U może

zmienić się dzięki przypływowi masy do układu lub jej odpływowi z układu, przepływowi

energii na sposób ciepła Q z lub do układu albo dzięki przekazaniu energii na sposób

pracy W wykonanej nad układem lub przez niego. Dla układu adiabatycznego ( Q = 0)

o stałej masie zachodzi D U = W . Zgodnie z ogólnie przyjętą konwencją W uważa się

za dodatnie, jeśli praca została wykonana nad układem, a za ujemne, jeśli praca została

wykonana przez układ. Dla układów nieadiabatycznych o stałej masie mamy

D U = Q + W . Związek ten, równoważny zasadzie zachowania energii, jest znany jako

pierwsza zasada termodynamiki .

Wszystkie procesy naturalne spełniają tę zasadę, ale nie wszystkie procesy, które ją

spełniają, mogą zachodzić w przyrodzie. Większość procesów naturalnych to procesy

nieodwracalne, tj. mogą one zachodzić tylko w jednym kierunku. Kierunek, w którym

mogą przebiegać procesy naturalne, stanowi treść drugiej zasady termodynamiki , którą

można sformułować na wiele sposobów. Rudolf Emanuel Clausius (1822–88)

sformułował ją na dwa sposoby: „ciało nie może przekazywać ciepła innemu ciału

o wyższej temperaturze bez wywołania innych zmian w układzie lub otoczeniu”

oraz „entropia układu zamkniętego rośnie z upływem czasu”. Twierdzenia te

wprowadzają termodynamiczne koncepcje temperatury T i entropii S ; obie te wielkości są

funkcjami stanu określającymi kierunek, w którym może przebiegać proces

nieodwracalny. Temperatura ciała lub układu określa, czy ciepło będzie przepływać

do niego, czy odpływać od niego; entropia ciała jest miarą niedostępności jego energii

dla zamiany na pracę. Tak więc T oraz S określają związek między Q oraz W ,

występującymi w sformułowaniu pierwszej zasady. Związek ten jest zwykle uwzględniany

przez podawanie drugiej zasady w postaci D U = T D S – W .

Druga zasada dotyczy zmian entropii. Trzecia zasada termodynamiki określa

bezwzględną skalę wartości entropii mówiąc, że dla przemian zachodzących

w idealnych, krystalicznych ciałach stałych w temperaturze zera bezwzględnego zmiana

całkowitej entropii wynosi zero. Zasada ta umożliwia przypisywanie entropii wartości

bezwzględnych.

W termodynamice stosuje się jeszcze inną zasadę. Ponieważ jest ona fundamentalna

w stosunku do innych zasad termodynamiki, które zakładają, że jest ona spełniona,

znana jest jako zerowa zasada termodynamiki . Mówi ona, że jeśli dwa ciała są

w równowadze termicznej z trzecim, to wszystkie trzy ciała są względem siebie

w równowadze termicznej.