Stan termodynamiczny - Thermodynamic state
| Termodynamika |
|---|
|
W termodynamice , o stan termodynamiczny z systemu jest jego stan w momencie szczególnego; to znaczy w pełni identyfikowane przez wartości odpowiedniego zestawu parametrów znanych jako zmienne stanu , parametry stanu lub zmienne termodynamiczne. Po określeniu takiego zestawu wartości zmiennych termodynamicznych dla układu, wartości wszystkich właściwości termodynamicznych układu są jednoznacznie wyznaczane. Zwykle domyślnie za stan termodynamiczny uważa się stan równowagi termodynamicznej . Oznacza to, że stan nie jest jedynie stanem systemu w określonym czasie, ale że stan jest taki sam, niezmienny przez nieskończenie długi czas.
Termodynamika tworzy wyidealizowaną strukturę pojęciową, którą można podsumować za pomocą formalnego schematu definicji i postulatów. Stany termodynamiczne należą do podstawowych lub prymitywnych obiektów lub pojęć schematu, dla których ich istnienie jest pierwotne i ostateczne, a nie wyprowadzane lub konstruowane z innych pojęć.
System termodynamiczny nie jest po prostu systemem fizycznym . Raczej, ogólnie rzecz biorąc, nieskończenie wiele różnych alternatywnych układów fizycznych zawiera dany układ termodynamiczny, ponieważ ogólnie układ fizyczny ma znacznie więcej cech mikroskopowych niż jest to wspomniane w opisie termodynamicznym. Układ termodynamiczny to obiekt makroskopowy, którego szczegóły mikroskopowe nie są wyraźnie uwzględnione w jego opisie termodynamicznym. Liczba zmiennych stanu wymaganych do określenia stanu termodynamicznego zależy od systemu i nie zawsze jest znana przed eksperymentem; zwykle znajduje się na podstawie dowodów eksperymentalnych. Numer to zawsze dwa lub więcej; zwykle nie więcej niż kilkanaście. Chociaż liczba zmiennych stanu jest ustalana eksperymentalnie, pozostaje wybór, której z nich użyć do konkretnego, wygodnego opisu; dany układ termodynamiczny może być alternatywnie identyfikowany przez kilka różnych wyborów zestawu zmiennych stanu. Wybór jest zwykle dokonywany na podstawie ścian i otoczenia, które są istotne dla procesów termodynamicznych, które należy wziąć pod uwagę w systemie. Na przykład, jeśli zamierza się brać pod uwagę przenoszenie ciepła przez system, to ściana systemu powinna być przepuszczalna dla ciepła i ta ściana powinna łączyć system z ciałem w otoczeniu, które ma określoną, niezmienną w czasie temperaturę. .
W przypadku termodynamiki równowagowej, w stanie termodynamicznym układu, jego zawartość znajduje się w wewnętrznej równowadze termodynamicznej, przy zerowych przepływach wszystkich wielkości, zarówno wewnętrznych, jak i między układem a otoczeniem. Dla Plancka podstawową cechą stanu termodynamicznego układu składającego się z jednej fazy , przy braku narzuconego z zewnątrz pola sił, jest jednorodność przestrzenna. W przypadku termodynamiki nierównowagowej odpowiedni zestaw identyfikujących zmiennych stanu obejmuje pewne zmienne makroskopowe, na przykład niezerowy gradient przestrzenny temperatury, który wskazuje na odejście od równowagi termodynamicznej. Takie nierównowagi identyfikujące zmienne stanu wskazują, że pewien niezerowy przepływ może wystąpić w systemie lub między systemem a otoczeniem.
Zmienne stanu i funkcje stanu
Układ termodynamiczny można zidentyfikować lub opisać na różne sposoby. Najprościej można go zidentyfikować za pomocą odpowiedniego zestawu zmiennych stanu. Mniej bezpośrednio można go opisać za pomocą odpowiedniego zestawu wielkości, który zawiera zmienne stanu i funkcje stanu.
Pierwotna lub pierwotna identyfikacja stanu termodynamicznego ciała materii odbywa się na podstawie bezpośrednio mierzalnych zwykłych wielkości fizycznych. Dla pewnych prostych celów, dla danego ciała o danym składzie chemicznym, wystarczającym zbiorem takich wielkości jest „objętość i ciśnienie”.
Oprócz bezpośrednio mierzalnych zwykłych zmiennych fizycznych, które pierwotnie identyfikują stan termodynamiczny systemu, system charakteryzuje się dalszymi wielkościami zwanymi funkcjami stanu , które są również nazywane zmiennymi stanu, zmiennymi termodynamicznymi, wielkościami stanu lub funkcjami stanu. Są one jednoznacznie określone przez stan termodynamiczny, tak jak został zidentyfikowany przez oryginalne zmienne stanu. Istnieje wiele takich funkcji stanu. Przykładami są wewnętrznej energii , entalpia , Helmholtza energię swobodną , Gibbs wolnej energii , temperatura termodynamiczna i entropii . Dla danego ciała o danym składzie chemicznym, gdy jego stan termodynamiczny został w pełni określony przez jego ciśnienie i objętość, to jego temperatura jest jednoznacznie określona. Temperatura termodynamiczna jest konkretną koncepcją termodynamiczną, podczas gdy pierwotne bezpośrednio mierzalne zmienne stanu są definiowane przez zwykłe pomiary fizyczne, bez odniesienia do koncepcji termodynamicznych; z tego powodu warto traktować temperaturę termodynamiczną jako funkcję stanu.
Przejście z danego początkowego stanu termodynamicznego do danego końcowego stanu termodynamicznego układu termodynamicznego jest znane jako proces termodynamiczny; zwykle jest to transfer materii lub energii między systemem a otoczeniem. W każdym procesie termodynamicznym, niezależnie od warunków pośrednich podczas przejścia, całkowita odpowiednia zmiana wartości każdej zmiennej stanu termodynamicznego zależy tylko od stanu początkowego i końcowego. W przypadku wyidealizowanego procesu ciągłego lub quasi-statycznego oznacza to, że nieskończenie małe przyrostowe zmiany takich zmiennych są różnicami dokładnymi . Razem, przyrostowe zmiany w całym procesie oraz stan początkowy i końcowy w pełni określają wyidealizowany proces.
W najczęściej cytowanym prostym przykładzie, idealnym gazie , zmiennymi termodynamicznymi byłyby dowolne trzy zmienne z czterech: ilość substancji , ciśnienie , temperatura i objętość . W ten sposób stan termodynamiczny obejmowałby trójwymiarową przestrzeń stanów. Pozostała zmienna, jak również inne wielkości, takie jak energia wewnętrzna i entropia , byłyby wyrażone jako funkcje stanu tych trzech zmiennych. Funkcje stanu spełniają pewne uniwersalne ograniczenia, wyrażone prawami termodynamiki i zależą od właściwości materiałów, z których składa się układ betonowy.
Opracowano różne diagramy termodynamiczne do modelowania przejść między stanami termodynamicznymi.
Stan równowagi
Systemy fizyczne występujące w przyrodzie są praktycznie zawsze dynamiczne i złożone, ale w wielu przypadkach makroskopowe systemy fizyczne można opisać na podstawie bliskości idealnych warunków. Jednym z takich idealnych warunków jest stan stabilnej równowagi. Taki stan jest pierwotnym obiektem termodynamiki klasycznej lub równowagowej, w której nazywany jest stanem termodynamicznym. Opierając się na wielu obserwacjach, termodynamika postuluje, że wszystkie systemy, które są odizolowane od środowiska zewnętrznego, będą ewoluować tak, aby zbliżyć się do unikalnych stabilnych stanów równowagi. Istnieje wiele różnych typów równowagi, odpowiadających różnym zmiennym fizycznym, a układ osiąga równowagę termodynamiczną, gdy jednocześnie spełnione są warunki wszystkich odpowiednich typów równowagi. Poniżej wymieniono kilka różnych typów równowagi.
- Równowaga termiczna : Gdy temperatura w całym systemie jest jednolita, system znajduje się w równowadze termicznej.
- Równowaga mechaniczna : Jeśli w każdym punkcie danego systemu nie ma zmiany ciśnienia w czasie i nie ma ruchu materiału, system znajduje się w równowadze mechanicznej.
- Równowaga fazowa : Występuje, gdy masa dla każdej pojedynczej fazy osiąga wartość, która nie zmienia się w czasie.
- Równowaga chemiczna : W równowadze chemicznej skład chemiczny układu ustalił się i nie zmienia się w czasie.
Bibliografia
Bibliografia
- Bailyn, M. (1994). Przegląd termodynamiki , American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3 .
- Cengel, Yunus; Michael A. Boels (2011). Termodynamika Podejście inżynierskie . Nowy Jork, NY: McGraw-Hill. Numer ISBN 978-0-07-352932-5.
- Callen, HB (1960/1985). Termodynamika i wprowadzenie do termostatu , (1. wydanie 1960) 2. wydanie 1985, Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8 .
- Carathéodory, C. (1909). „Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik” (PDF) . Matematyka Annalen . 67 (3): 355-386. doi : 10.1007/BF01450409 .Tłumaczenie można znaleźć tutaj . W większości wiarygodne tłumaczenie można znaleźć w Kestin, J. (1976). Druga zasada termodynamiki , Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
- Eu, BC (2002). Termodynamika uogólniona. Termodynamika procesów nieodwracalnych i uogólniona hydrodynamika , Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, ISBN 1-4020-0788-4 .
- Jaynes, ET (1965). Gibbs kontra entropia Boltzmanna, Am. J. Fiz. , 33 : 391–398.
- Model, Michael; Robert C. Reid (1974). Termodynamika i jej zastosowania . Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. Numer ISBN 0-13-914861-2.
- Marsland, R. III , Brown, HR, Valente, G. (2015). Czas i nieodwracalność w termodynamice aksjomatycznej , Am. J. Fiz. , 83 (7): 628–634.
- Planck, M. , (1923/1927). Traktat o termodynamice , przekład A. Ogg, trzecie wydanie angielskie, Longmans, Green and Co. , Londyn.
- Prigogine, I. , Defay, R. (1950/1954). Termodynamika chemiczna , Longmans, Green & Co, Londyn.
- Tisza, L. (1966). Uogólniona termodynamika , MIT Press, Cambridge MA.
- Zemanksy MW , Dittman RH (1937/1981). Ciepło i termodynamika. An Intermediate Textbook , wydanie szóste, McGraw-Hill Book Company, New York, ISNM 0-07-072808-9.