Termodynamik
Från Rilpedia
Termodynamik, läran om energi, speciellt värmens natur, dess omvandling till andra energiformer och dess möjlighet att uträtta arbete. Det är nära relaterat till statistisk mekanik från vilket många termodynamiska relationer kan härledas. Termodynamiken utgår från system i jämvikt.
Det har diskuterats att termodynamik namngavs fel eftersom det inte relaterar till förändringsförlopp. Ett bättre namn skulle därför vara termostatik eftersom begreppet termodynamik visserligen relaterar till hur vissa kemiska reaktioner är möjliga, men inte berör hur snabbt förloppet går.
Innehåll |
Huvudsatser
Termodynamiken har tre (fyra) huvudsatser, vilka huvudsakligen är empiriskt härledda:
0. Nollte huvudsatsen: Om två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge.
1. Första huvudsatsen, eller energiprincipen: Värme som flödar in till ett system är lika med summan av ändringen i inre energi plus arbete som uträttas av systemet.
2. Andra huvudsatsen, eller entropiprincipen: Värme flödar från varmt till kallt.
3. Tredje huvudsatsen: Alla processer upphör vid absoluta nollpunkten.
Koncept
Den grundläggande abstraktionen är att man kan dela upp världen i system som åtskiljs av reella eller fiktiva gränser eller gränsskikt. System som inte är under betraktelse förs samman till ett stort system eller omgivning. Det är även möjligt att dela in ett system i delsystem, eller att gruppera ihop flera system till ett större system.
Det finns tre typer av system beroende hur utbytet av energi och materia äger rum mellan systemet och dess omgivning:
- Isolerade system utbyter inte värme, arbete eller materia med sin omgivning.
- Slutna system utbyter energi (värme och/eller arbete) men inte materia med sin omgivning. Oavsett om systemet utbyter värme, arbete eller både och, ses det som en egenskap i gränsskiktet, vilket i det fallet kan vara av typerna
- – adiabatiskt gränsskikt, vilket bevarar systemets värme (förutsatt att systemet inte utövar arbete på omgivningen); eller
- – fast gränsskikt, vilket bevarar systemets arbete.
- Öppna system utbyter energi (värme och/eller arbete) samt materia med sin omgivning. Ett gränsskikt som tillåter detta utbyte benämns permeabelt.
Storheter
Nedan är en förteckning över de viktigaste begreppen i termodynamik, och de symboler som brukar användas för att beteckna dem.
- Inre energi, U eller E
- Temperatur, T
- Entropi, S
- Tryck, P eller p
- Volym, V
- Densitet, ρ
- Helmholtz fria energi, F
- Gibbs fria energi, G
- Entalpi, H
- Kemisk potential, μ
- Partikelantal, N
- Aggregationstillstånd
- Intensiv kvantitet
- Extensiv kvantitet
- Tillståndsfunktion
Molekylär termodynamik
Inom molekylär termodynamik använder man teoretiska studier av små system för att göra förutsägelser om ett makroskopiskt systems termodynamiska egenskaper. Modeller som används är till exempel:
- Kvantmekaniska beskrivningar av molekylers rotation och vibration för att beräkna teoretiska värden av ett ämnes värmekapacitet
- Kinetisk gasteori och olika ekvationer som kan ge noggrannare förutsägelser än allmänna gaslagen(till exempel kan de ta hänsyn till att molekylerna har en viss volym)
- Boltzmannfördelningen
- Enkla modeller för olika fasjämvikter
- Kemisk potential och hur den påverkar kemiska jämvikter.
Viktiga forskare inom området var bland andra Max Planck, Johannes Diderik van der Waals, Ludwig Boltzmann, William Giauque, James Prescott Joule, Rudolf Clausius, Walther Nernst, Hermann von Helmholtz, Josiah Willard Gibbs, Joel Hildebrand, Peter Debye, Erich Hückel, Jacobus Henricus van 't Hoff, Gilbert Newton Lewis och Lars Onsager.
Litteratur
På svenska:
- Boken Energilära av Olof Beckman, Bengt Kjöllerström och Tage Sundström
På engelska:
- Donald A. McQuarrie/John D.Simon:Molecular Thermodynamics
