Termodynamiikka
Wikipedia
Termodynamiikka (lämpöoppi) on energian, lämmön, työn, entropian ja tapahtumien spontaanisuuden fysiikkaa. Termodynamiikka on läheisesti yhteydessä tilastolliseen fysiikkaan, josta monet sen lainalaisuudet voidaan johtaa.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Termodynamiikan historiaa
Klassinen termodynamiikka sai alkunsa 1800 -luvun alussa. Se liittyi höyrykoneen kehittämiseen. Alussa termodynaaminen tutkimus keskittyi kokeellisiin mittauksiin eikä ottanut kantaa aineen rakenneosiin. Sir Benjamin Rumford tulkitsi jo 1700 -luvun lopussa lämmön aineen liikkeeseen perustuvaksi, mutta hänen ajatuksensa otettiin energia -käsitteen avulla käyttöön termodynamiikan tutkimuksessa vasta 1800 -luvun alussa. William Thomson, tutummin lordi Kelvin, kehitti termodynamiikan teoriasta yhtenäisemmän.
[muokkaa] Termodynamiikan peruskäsitteitä
Termodynamiikan pääkäsite on systeemi. Systeemi on osa, jonka todellinen tai kuviteltu raja erottaa ympäristöstä. Systeemit luokitellaan sen mukaan, miten aine ja energia kulkevat niiden rajapinnan läpi ympäristöön:
- Suljettu systeemi: ei vaihda ainetta ympäristönsä kanssa.
- Eristetty eli adiabaattinen: ei voi vaihtaa energiaa ympäristönsä kanssa.
- Eristämätön eli diabaattinen: energia (lämpö ja työ) voivat kulkea rajapinnan läpi.
- Avoin systeemi: energia (lämpö ja työ) ja materia kulkevat vapaasti systeemiä ympäröivän rajan yli.
Tila on systeemin termodynaamisten muuttujien joukko.
[muokkaa] Termodynamiikan pääsäännöt
[muokkaa] Termodynamiikan nollas pääsääntö: tasapaino
- Jos systeemit A ja C sekä B ja C ovat termisessä tasapainossa, niin silloin myös A ja B ovat tasapainossa.
- tai suljetussa systeemissä eri lämpöiset kappaleet aikaa myöten asettuvat lopulta samaan lämpötilaan.
Tähän perustuu mm. lämpömittarien toiminta.
[muokkaa] Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: energian säilyminen
- Energiaa ei voida luoda eikä hävittää. Ainoastaan vain muuttaa muodosta toiseen.
- tai adiabaattisessa prosessissa tehty työ riippuu vain alku- ja lopputilasta, eikä prosessin kulusta
- tai systeemiin tuotu lämpö muuttuu systeemin sisäenergiaksi, miinus systeemin tekemä työ.
Tämän vuoksi on ikiliikkuja mahdoton.
[muokkaa] Termodynamiikan toinen pääsääntö: entropian kasvu
- eristetyn systeemin prosessi etenee kohti suurinta todennäköisyyttä eli suuntaan jossa entropia kasvaa.
- tai suljetun systeemin kokonaisentropia kasvaa
- tai lämpöä ei voi muuttaa täydellisesti työksi
- tai kaikki ajautuu järjestyksestä kaaokseen
Mikään ei estä järjestystä kasvamasta hetkellisesti, mutta koska epäjärjestyneiden tilojen todennäköisyys on valtavasti suurempi kuin järjestyneiden (hiukkaset voivat järjestyä 'epäjärjestykseen' monilla tavoin, 'järjestykseen' vain yhdellä tavoin), etenee kehitys todennäköisyyslaskennan lakien mukaan suuressa mittakaavassa, ts. suurella määrällä tapahtumia aina kohti todennäköisintä, epäjärjestyneintä lopputilaa.
[muokkaa] Termodynamiikan kolmas pääsääntö: entropian nollapiste
- Täydellisen kiteen entropia on nolla
- kaikki toiminta lakkaa absoluuttisessa nollapisteessä.
Tämän vuoksi ei absoluuttista nollapistettä voi saavuttaa
[muokkaa] Termodynaamisia käsitteitä
- Sisäenergia U
- Lämpötila T
- Paine P
- Tilavuus V
- Tiheys ρ
- Entropia S
- Helmholtzin vapaaenergia F
- Gibbsin vapaaenergia G
- Entalpia H
- Kemiallinen potentiaali μ
- Hiukkasluku (ainemäärä) N
- Faasi
- Systeemi
Ekstensiivi/intensiivisuureet
- Ekstensiiviset: verrannolliset systeemin ainemäärään; esim. tilavuus, sisäenergia, lämpökapasiteetti.
- Intensiiviset: massasta riippumattomia; esim. ominaistilavuus tai moolitilavuus, ominaissisäenergia tai molaarinen sisäenergia, ominaislämpö tai molaarinen ominaislämpö. Intensiivisuure saadaan ekstensiivisuureesta jakamalla se ainemäärällä.
