Das Studium der Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der die thermodynamischen Umwandlungen untersucht und beschreibt, die durch Wärme und Arbeit in einem thermodynamischen System induziert werden. Diese Transformationen sind das Ergebnis von Prozessen, die Änderungen der Zustandsvariablen Temperatur und Energie auf makrosopischer Ebene beinhalten.
Die klassische Thermodynamik basiert auf dem Konzept eines makroskopischen Systems, d. h. eines von der äußeren Umgebung physikalisch oder konzeptionell getrennten Massenanteils, von dem häufig der Einfachheit halber angenommen wird, dass er durch den Energieaustausch mit dem System nicht gestört wird.
Der Zustand eines makroskopischen Systems, das sich im Gleichgewicht befindet, wird durch Größen angegeben, die als thermodynamische Variablen oder Zustandsfunktionen wie Temperatur, Druck, Volumen und chemische Zusammensetzung bezeichnet werden. Die wichtigsten Bezeichnungen in der chemischen Thermodynamik wurden von der International Union of Pure and Applied Chemistry festgelegt.
Es gibt jedoch einen Zweig der Thermodynamik, der als Nichtgleichgewichtsthermodynamik bezeichnet wird und thermodynamische Prozesse untersucht, die durch die Unfähigkeit gekennzeichnet sind, stabile Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen.
Was sind die Gesetze der Thermodynamik?
Die Prinzipien der Thermodynamik wurden im 19. Jahrhundert verkündet und regeln thermodynamische Transformationen, ihren Fortschritt, ihre Grenzen. Sie sind echte Axiome, unbewiesen und unbeweisbar, basierend auf Erfahrungen, auf denen die gesamte Theorie der Thermodynamik basiert.
Wir können drei Grundprinzipien unterscheiden, plus ein "Null"-Prinzip, das die Temperatur definiert und in den anderen drei implizit enthalten ist.
Nullgesetz der Thermodynamik
Wenn sich zwei wechselwirkende Systeme im thermischen Gleichgewicht befinden, teilen sie einige Eigenschaften, die gemessen werden können, was ihnen einen genauen Zahlenwert verleiht. Wenn also zwei Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht sind, sind sie miteinander im Gleichgewicht und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur. Das Nullprinzip der Thermodynamik besagt einfach, dass wenn ein Körper "A" im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper "B" und "B" im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper "C" ist, dann "A" und "C" im thermischen Gleichgewicht sind Gleichgewicht zwischen ihnen.
Dieses Prinzip erklärt die Tatsache, dass zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, zwischen denen Wärme ausgetauscht wird (auch wenn dieses Konzept im Nullprinzip nicht vorhanden ist), am Ende die gleiche Temperatur erreichen.
Im Prinzip der kinetischen Nullformulierung der Thermodynamik besteht die Tendenz, eine gemeinsame mittlere kinetische Energie der Atome und Moleküle der Körper zu erreichen, zwischen denen der Wärmeaustausch führt: im Durchschnitt durch Kollisionen der Körperteilchen wärmer, im Durchschnitt schneller , bei kälteren Körperpartikeln, im Durchschnitt langsamer, wird Energie vom ersten zum zweiten gehen, die zu gleichen Temperaturen tendiert. Die Effizienz des Energieaustausches bestimmt die spezifischen Wärmen der beteiligten Elemente.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Wenn ein Körper mit einem relativ kälteren Körper in Kontakt gebracht wird, findet eine Umwandlung statt, die zu einem Gleichgewichtszustand führt, in dem die Temperaturen beider Körper gleich sind, wodurch die Energieübertragung zwischen dem warmen Körper auf den kalten Körper verbessert wird.
Um dieses Phänomen zu erklären, nahmen Wissenschaftler des 18. Jahrhunderts an, dass eine Substanz, die im wärmeren Körper in größeren Mengen vorhanden ist, in den kälteren Körper übergeht.
Diese hypothetische Substanz, genannt kalorisch, wurde als eine Flüssigkeit angesehen, die sich durch eine Masse bewegen kann, die fälschlicherweise Materie genannt wird. Das erste Prinzip der Thermodynamik identifiziert Wärme als eine Energieform, die in mechanische Arbeit umgewandelt und gespeichert werden kann, aber keine materielle Substanz ist.
Wärme, die ursprünglich in Kalorien gemessen wurde, und Arbeit oder Energie, gemessen in Joule, erwiesen sich experimentell als tatsächlich gleichwertig. Jede Kalorie entspricht ungefähr 4.186 Joule.
Das erste Prinzip ist daher ein Prinzip der Energieerhaltung. In jeder Wärmekraftmaschine oder Wärmekraftmaschine wird eine bestimmte Menge Energie in Arbeit umgewandelt: Es kann keine Maschine geben, die Arbeit ohne Energieaufwand produziert. Eine ähnliche Maschine würde, wenn sie existierte, tatsächlich das sogenannte Perpetuum mobile der ersten Art erzeugen.
Das erste Prinzip wird traditionell wie folgt formuliert:
Die Variation der inneren Energie eines geschlossenen thermodynamischen Systems ist gleich der Differenz zwischen der dem System zugeführten Wärme und der vom System in der Umgebung geleisteten Arbeit.
Die entsprechende mathematische Formulierung lautet:
U = Q - L
Dabei ist U die innere Energie des Systems, Q die dem System zugeführte Wärme und L die vom System geleistete Arbeit.
Innere Energie bedeutet die Summe der kinetischen Energien und der Wechselwirkung der verschiedenen Teilchen in einem System. Q ist die Wärme, die zwischen der Umgebung und dem System ausgetauscht wird (positiv, wenn sie dem System zugeführt wird, negativ, wenn sie vom System übertragen wird) und L ist die geleistete Arbeit (positiv, wenn das System sie in der Umgebung verrichtet, negativ, wenn die Umgebung macht es im System).
Beeinflusst wird die Zeichenkonvention durch die Verbindung mit dem Studium der Wärmekraftmaschinen, bei denen Wärme (teilweise) in Arbeit umgewandelt wird.
Die alternativen und äquivalenten Formulierungen des ersten Prinzips sind:
- Para un sistema abierto, qw =? E donde? E se destina a la variación de la energía total, que no es más que la suma de los cambios en la energía interna, la energía cinética y la energía potencial que posee ese sistema es. Vemos que para un sistema cerrado las variaciones de energía cinética y potencial son nulas y, por lo tanto, nos referimos a la relación anterior.
- Para un ciclo termodinámico, q = w, ya que la variación total de energía es cero, el sistema que tiene, al final de cada ciclo, de nuevo en las mismas condiciones de partida.
Segunda ley de la termodinámica
Hay varias declaraciones del segundo principio, todas equivalentes, y cada una de las formulaciones enfatiza un aspecto particular. Establece que "es imposible realizar una máquina cíclica que tiene como único resultado la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno cálido" (declaración de Clausius ) o, de forma equivalente, que "es imposible llevar a cabo una transformación cuyo resultado es solo el de convierta el calor extraído de una sola fuente en trabajo mecánico "( declaración de Kelvin ).
Esta última limitación niega la posibilidad de realizar el llamado movimiento perpetuo de la segunda especie. L ' entropía el total de un sistema aislado permanece sin cambios cuando tiene lugar una transformación reversible y aumenta cuando tiene lugar una transformación irreversible.
Tercera ley de la termodinámica
Está estrechamente relacionado con este último y, en algunos casos, se considera una consecuencia de este último. Puede afirmarse diciendo que "es imposible alcanzar el cero absoluto con un número finito de transformaciones" y proporciona una definición precisa de la magnitud llamada entropía.
También establece que la entropía para un sólido perfectamente cristalino, a una temperatura de 0 kelvin es igual a 0. Es fácil explicar esta afirmación a través de la termodinámica molecular: un sólido perfectamente cristalino está compuesto de un solo complejo (Todos ellos son maneras de organizar las moléculas, si las moléculas son todos iguales, independientemente de la forma en que están dispuestos, macroscópicamente el cristal es siempre la misma) y, siendo a 0 kelvin, la energía de vibración, de traslación y de rotación de las partículas que lo componen es nada, por lo tanto, de la ley de Boltzmann S = k ln (1) = 0 donde 1 son los complejos (en este caso solo uno).
Historia de la termodinámica
Fue Sadi Carnot, en 1824, el primero en demostrar que se puede obtener trabajo del intercambio de calor entre dos fuentes a diferentes temperaturas. A través del teorema de Carnot y la máquina ideal de Carnot (basada en el ciclo de Carnot) cuantificó este trabajo e introdujo el concepto de eficiencia termodinámica.
En 1848, Lord Kelvin, utilizando la máquina de Carnot, introdujo el concepto de temperatura termodinámica efectiva y es responsable de una declaración del segundo principio de la termodinámica.
En 1850 James Prescott Joule demostró la igualdad de las dos formas de energía (entonces se creía que el líquido calórico todavía existía).
Habiendo llegado a esto, se planteó el problema de que, si fuera posible obtener el calor total del trabajo, no hubiera sido posible obtener el inverso. Este resultado también aterrizó Clausius que en 1855 presenta su desigualdad para reconocer procesos reversibles de las irreversible y estado de la función de la entropía.
En 1876 Willard Gibbs publicó el tratado "Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas" (Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas) que mostraba cómo un proceso termodinámico podría representarse gráficamente y cómo estudiar de esta manera la energía, la entropía, el volumen, la temperatura y la presión podrían preverse la eventual espontaneidad del proceso considerado.
Der Fall der Thermodynamik ist in der Geschichte und in der "Erkenntnistheorie der Wissenschaften sinnbildlich: Sie ist einer der Fälle, in denen die Praxis der Theorie selbst Pionierarbeit geleistet hat: Die erste ist für die Dampfmaschine konzipiert, dann wurde ihre theoretische Funktionsweise durch ihre Grundprinzipien systematisiert". .
Was ist chemische Thermodynamik?
Chemische Thermodynamik ist das Studium der Wechselbeziehung zwischen Wärme und Arbeit mit chemischen Reaktionen oder mit physikalischen Zustandsänderungen im Rahmen thermodynamischer Gesetze.
