Per molto tempo fisici e rappresentanti di altre scienze hanno avuto modo di descrivere ciò che osservano nel corso dei loro esperimenti. La mancanza di consenso e la presenza di un gran numero di termini presi "di punto in bianco" ha generato confusione e incomprensioni tra i colleghi. Nel tempo, ogni branca della fisica ha acquisito le definizioni e le unità di misura stabilite. Ecco come sono apparsi i parametri termodinamici, che spiegano la maggior parte dei cambiamenti macroscopici nel sistema.
Definizione
I parametri di stato, o parametri termodinamici, sono un numero di grandezze fisiche che insieme e ciascuna separatamente possono caratterizzare il sistema osservato. Questi includono concetti come:
- temperatura e pressione;
- concentrazione, induzione magnetica;
- entropia;
- entalpia;
- Energie di Gibbs e Helmholtz e molte altre.
Seleziona parametri intensivi ed estensivi. Sono estesi quelli che dipendono direttamente dalla massa del sistema termodinamico eintensivo - che sono determinati da altri criteri. Non tutti i parametri sono ugualmente indipendenti, quindi, per calcolare lo stato di equilibrio del sistema, è necessario determinare più parametri contemporaneamente.
Inoltre, ci sono alcuni disaccordi terminologici tra i fisici. La stessa caratteristica fisica può essere chiamata da autori diversi o un processo, o una coordinata, o una quantità, o un parametro, o anche solo una proprietà. Tutto dipende dal contenuto in cui lo scienziato lo usa. Ma in alcuni casi esistono raccomandazioni standardizzate a cui i redattori di documenti, libri di testo o ordini devono attenersi.
Classificazione
Ci sono diverse classificazioni dei parametri termodinamici. Quindi, in base al primo paragrafo, è già noto che tutte le quantità possono essere suddivise in:
- estensivo (additivo) - tali sostanze obbediscono alla legge dell'addizione, ovvero il loro valore dipende dal numero di ingredienti;
- intenso - non dipendono da quanta sostanza è stata presa per la reazione, poiché sono allineati durante l'interazione.
In base alle condizioni in cui si trovano le sostanze che compongono il sistema, le quantità possono essere suddivise in quelle che descrivono reazioni di fase e reazioni chimiche. Inoltre, devono essere prese in considerazione le proprietà dei reagenti. Possono essere:
- termomeccanico;
- termofisico;
- termochimico.
Oltre a questo, qualsiasi sistema termodinamico svolge una determinata funzione, quindi i parametri possonocaratterizzano il lavoro o il calore prodotto a seguito della reazione, e consentono inoltre di calcolare l'energia necessaria per trasferire la massa delle particelle.
Variabili di stato
Lo stato di qualsiasi sistema, compreso il termodinamico, può essere determinato da una combinazione delle sue proprietà o caratteristiche. Tutte le variabili che sono completamente determinate solo in un determinato momento e non dipendono da come esattamente il sistema è arrivato a questo stato sono chiamate parametri di stato termodinamico (variabili) o funzioni di stato.
Il sistema è considerato stazionario se le funzioni delle variabili non cambiano nel tempo. Una versione dello stato stazionario è l'equilibrio termodinamico. Qualsiasi, anche il più piccolo cambiamento nel sistema, è già un processo e può contenere da uno a più parametri di stato termodinamico variabili. La sequenza in cui gli stati del sistema passano continuamente l'uno nell' altro è chiamata "percorso del processo".
Purtroppo c'è ancora confusione con i termini, poiché la stessa variabile può essere sia indipendente che il risultato dell'aggiunta di più funzioni di sistema. Pertanto, termini come "funzione di stato", "parametro di stato", "variabile di stato" possono essere considerati sinonimi.
Temperatura
Uno dei parametri indipendenti dello stato di un sistema termodinamico è la temperatura. È un valore che caratterizza la quantità di energia cinetica per unità di particelle insistema termodinamico in equilibrio.
Se ci avviciniamo alla definizione del concetto dal punto di vista della termodinamica, allora la temperatura è un valore inversamente proporzionale alla variazione di entropia dopo aver aggiunto calore (energia) al sistema. Quando il sistema è in equilibrio, il valore della temperatura è lo stesso per tutti i suoi "partecipanti". Se c'è una differenza di temperatura, l'energia viene emessa da un corpo più caldo e assorbita da uno più freddo.
Ci sono sistemi termodinamici in cui quando si aggiunge energia, il disordine (entropia) non aumenta, ma diminuisce. Inoltre, se un tale sistema interagisce con un corpo la cui temperatura è maggiore della sua, cederà la sua energia cinetica a questo corpo, e non viceversa (in base alle leggi della termodinamica).
Pressione
La pressione è una grandezza che caratterizza la forza che agisce su un corpo, perpendicolare alla sua superficie. Per calcolare questo parametro, è necessario dividere l'intera quantità di forza per l'area dell'oggetto. Le unità di questa forza saranno pascal.
Nel caso dei parametri termodinamici, il gas occupa l'intero volume a sua disposizione e, inoltre, le molecole che lo compongono si muovono costantemente in modo casuale e si scontrano tra loro e con il recipiente in cui si trovano. Sono questi impatti che determinano la pressione della sostanza sulle pareti della nave o sul corpo che viene immesso nel gas. La forza si propaga equamente in tutte le direzioni proprio a causa dell'imprevedibilemovimenti molecolari. Per aumentare la pressione, è necessario aumentare la temperatura dell'impianto e viceversa.
Energia interna
I principali parametri termodinamici che dipendono dalla massa del sistema includono l'energia interna. Consiste nell'energia cinetica dovuta al movimento delle molecole di una sostanza, nonché nell'energia potenziale che appare quando le molecole interagiscono tra loro.
Questo parametro non è ambiguo. Cioè, il valore dell'energia interna è costante ogni volta che il sistema è nello stato desiderato, indipendentemente dal modo in cui (lo stato) è stato raggiunto.
È impossibile cambiare l'energia interna. È la somma del calore sprigionato dal sistema e del lavoro che produce. Per alcuni processi vengono presi in considerazione altri parametri, come temperatura, entropia, pressione, potenziale e numero di molecole.
Entropia
La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia di un sistema isolato non diminuisce. Un' altra formulazione postula che l'energia non passi mai da un corpo con una temperatura più bassa a uno più caldo. Questo, a sua volta, nega la possibilità di creare una macchina a moto perpetuo, poiché è impossibile trasferire tutta l'energia a disposizione del corpo nel lavoro.
Il concetto stesso di "entropia" fu introdotto in uso a metà del 19° secolo. Quindi è stato percepito come un cambiamento nella quantità di calore alla temperatura del sistema. Ma questa definizione si applica solo aprocessi costantemente in equilibrio. Da ciò possiamo trarre la seguente conclusione: se la temperatura dei corpi che compongono il sistema tende a zero, allora anche l'entropia sarà uguale a zero.
L'entropia come parametro termodinamico dello stato del gas viene utilizzata come indicazione della misura della casualità, casualità del movimento delle particelle. Viene utilizzato per determinare la distribuzione delle molecole in una determinata area e recipiente, o per calcolare la forza elettromagnetica di interazione tra gli ioni di una sostanza.
Entalpia
L'entalpia è l'energia che può essere convertita in calore (o lavoro) a pressione costante. Questo è il potenziale di un sistema che è in equilibrio se il ricercatore conosce il livello di entropia, il numero di molecole e la pressione.
Se si indica il parametro termodinamico di un gas ideale, al posto dell'entalpia si usa la dicitura "energia del sistema esteso". Per spiegare meglio a noi stessi questo valore, possiamo immaginare un recipiente pieno di gas, che viene compresso uniformemente da un pistone (ad esempio un motore a combustione interna). In questo caso, l'entalpia sarà uguale non solo all'energia interna della sostanza, ma anche al lavoro che deve essere fatto per portare il sistema nello stato richiesto. La modifica di questo parametro dipende solo dallo stato iniziale e finale del sistema e il modo in cui verrà ricevuto non ha importanza.
Gibbs Energy
Parametri e processi termodinamici, per la maggior parte, sono associati al potenziale energetico delle sostanze che compongono il sistema. Pertanto, l'energia di Gibbs è l'equivalente dell'energia chimica totale del sistema. Mostra quali cambiamenti si verificheranno nel corso delle reazioni chimiche e se le sostanze interagiranno affatto.
Cambiare la quantità di energia e temperatura del sistema durante il corso della reazione influenza concetti come entalpia ed entropia. La differenza tra questi due parametri sarà chiamata energia di Gibbs o potenziale isobarico-isotermico.
Il valore minimo di questa energia si osserva se il sistema è in equilibrio e la sua pressione, temperatura e quantità di materia rimangono invariate.
Energia di Helmholtz
L'energia di Helmholtz (secondo altre fonti - solo energia gratuita) è la quantità potenziale di energia che verrà persa dal sistema quando interagisce con corpi che non sono inclusi in esso.
Il concetto di energia libera di Helmholtz viene spesso utilizzato per determinare quale lavoro massimo può svolgere un sistema, ovvero quanto calore viene rilasciato quando le sostanze cambiano da uno stato all' altro.
Se il sistema è in uno stato di equilibrio termodinamico (cioè non funziona), allora il livello di energia libera è minimo. Ciò significa che la modifica di altri parametri, come la temperatura,pressione, anche il numero di particelle non si verifica.
