Termodinamika

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Carnotov toplinski stroj prenosi energiju iz toplijeg (ogrjevnog) spremnika temperature TH u hladniji (rashladni) spremnik temperature TC, te pritom dio te toplinske energije (topline) pretvara u mehanički rad W.
Premda je perpetuum mobile proglašen kao nerješivim, pokušaji da se ostvari nisu prestali.
Jedan od pokušaja da se ostvari perpetuum mobile.
Apsolutna nula iznosi −273,15 °C ili 0 K.
Glavni dijelovi generatora pare ili parnog kotla koji koristi ugljen kao gorivo.
P-v dijagram za idealni Dieselov kružni proces. Proces prati brojeve od 1 do 4 u smjeru kazaljke na satu.

Termodinamika, nauka o toplini ili znanost o toplini je grana fizike koja proučava izmjenu topline i mehaničkoga rada između sustava i okoline, te druge zakonitosti pretvorbe i prijenosa energije, posebno u plinovima. Osnivačem moderne termodinamike smatra se N. L. S. Carnot, koji je u svojem eseju Razmišljanja o pokretačkoj moći vatre (fran. Réflexions sur la puissance motrice du feu, 1824.) dao načela rada idealnoga toplinskoga stroja. Eksperimentalne osnove termodinamike postavio je J. P. Joule u nizu pokusa (od 1840. do 1843.), koji su nedvojbeno dokazali da se prijelaz rada u toplinu odvija uvijek po istim kvantitativnim zakonima.

Mnoge pojave, pa i sami termodinamički zakoni, koji su izvedeni na temelju iskustvenih podataka, objašnjeni su tek upotrebom metoda statističke fizike (Ludwig Boltzmann). Odstupanje rezultata klasične statističke fizike od rezultata pokusa dovelo je do razvoja kvantne mehanike. [1]

Termodinamika proučava energiju, rad, toplinu, entropiju, entalpiju i spontanost procesa (Gibbsovu energiju). Termodinamika proučava veze između toplinske energije i ostalih oblika energije koje se u tvarima izmjenjuju u uvjetima ravnoteže. Naime, gotovo svaki oblik energije u svojoj pretvorbi prelazi na kraju u energiju toplinskog kretanja. Tako na primjer trenje, električna energija, energija kemijske reakcije, svjetlosna energija i druge pretvorbama prelaze u toplinu.

Zakoni termodinamike[uredi VE | uredi]

Nulti zakon termodinamike (definicija temperature)[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Nulti zakon termodinamike

Nulti zakon termodinamike određuje (definira) temperaturu kao funkciju stanja sustava. Ako su dva sustava u ravnoteži s trećim, onda su i međusobno u ravnoteži. Temperatura sustava koji nije u ravnoteži nije određena. Na temelju 1. i 2. zakona termodinamike može se odrediti je li temperatura viša ili niža, ali joj je vrijednost moguće odrediti samo usporedbom u ravnotežnom stanju. Taj zakon izriče i uvjet ravnoteže dvaju sustava: u ravnoteži njihove su temperature jednake bez obzira na ukupnu količinu unutarnje energije (topline) u svakome od njih.

Prvi zakon termodinamike – zakon o očuvanju energije[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Prvi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike izveo je H. L. F. von Helmholtz (1847.) na temelju Jouleovih i Carnotovih radova. Prema tom je zakonu zbroj količina topline i mehaničkoga rada u zatvorenom sustavu stalan:

količina topline dQ predana nekomu sustavu troši se samo na povećanje njegove unutarnje energije U (zagrijavanje) i na svladavanje vanjskoga tlaka p, a tlak se protivi povećanju obujma (volumena) sustava V. Prvi zakon termodinamike može se poopćiti u zakon očuvanja energije, prema kojem je u svakom zatvorenom sustavu zbroj svih oblika energije, uključujući i materiju, stalan. Drugim riječima to se može iskazati kao:

"Energija zatvorenog sustava ne može nestati niti ni iz čega nastati, energija može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi, i ona je konstantna."

Drugi zakon termodinamike[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Drugi zakon termodinamike

Drugi zakon termodinamike upućuje na smjer u kojem se odvija pretvorba toplinske energije u mehaničku. Do toga je zakona došao već Carnot 1824. On je proučavao idealne uvjete prelaska topline u rad i zaključio da su za prelazak topline u rad potrebna dva spremnika topline na različitoj temperaturi; prelaskom topline iz toplijega spremnika u hladniji samo se dio topline pretvara u rad, a ostatak topline prelazi u spremnik niže temperature (degradacija). Prema Carnotu, maksimalna djelotvornost η idealnoga toplinskoga stroja, koji kružnim procesom pretvara toplinu u rad, iznosi:

gdje su: T1 i T2 temperature toplijega i hladnijega spremnika; Q1 je toplina koja pri prelasku stoji na raspolaganju, a Q2 dio topline koji se degradira. Bit je drugoga zakona termodinamike da se pri prelasku topline u rad dio topline uvijek gubi ili degradira (degradacija). Matematički izraz drugoga zakona termodinamike iskazuje se s pomoću entropija. Za sustav temperature T, u kojem se nalazi ukupna količina topline Q, entropija S izražava se kao:

Iz toga slijedi da je entropija sustava to veća što mu je, uz danu količinu topline u sustavu, temperatura niža. Kako se pri svakom prelasku topline u rad dio topline prelazi u spremnik niže temperature, ukupna se entropija sustava povećava. Poopćenjem drugoga zakona može se reći da se entropija zatvorenoga sustava povećava pri svakom procesu.

Prva dva zakona termodinamike mogu se formulirati i kao nemogućnost perpetuuma mobile 1. i 2. vrste: perpetuum mobile 1. vrste bio bi stroj koji bi radio bez ulaganja energije, a perpetuum mobile 2. vrste bio bi stroj koji bi toplinu iz jednoga spremnika izravno i bez posrednika pretvarao u rad. Neostvarivost perpetuuma mobile obiju vrsta eksperimentalni je dokaz za prvi i drugi zakon termodinamike.

Treći zakon termodinamike[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Treći zakon termodinamike

Treći zakon termodinamike postavka je prema kojoj je entropija sustava pri apsolutnoj nuli temperature jednaka nuli, ako se sustav nalazi u svojem najnižem energetskom stanju. Taj zakon, što ga je postavio W. H. Nernst, nije strogo termodinamičko načelo, jer pretpostavlja poznavanje detaljne strukture sustava, osobito spektra energetskih stanja. Načelo se na primjer primjenjuje u fizikalnoj kemiji pri računanju konstantâ ravnoteža sustava dobivenih iz čisto toplinskih mjerenja, a uveden je kao ishodište ljestvice za određivanje entropije. Tek s razvojem statističke fizike i određivanjem entropije kao negativnoga logaritma vjerojatnosti stanja načelo postaje nužno.

Osnovni pojmovi[uredi VE | uredi]

Termodinamički sustav[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Termodinamički sustav

Termodinamički sustav je fizikalni sustav u kojem nastaju međusobne pretvorbe topline i drugih oblika energije, te time izazvane promjene ovisne o promjenama temperature. Teorijski se razlikuju:

  • izolirani termodinamički sustav, u kojem zatvorena tvar nema mogućnost izmjene ni tvari ni energije s okolinom,
  • zatvoreni termodinamički sustav, u kojem je moguća samo izmjena energije s okolinom, pa s time i promjene volumena, tlaka i temperature, ali je količina tvari nepromjenljiva, te
  • otvoreni termodinamički sustav, u kojem je moguća izmjena tvari i energije s okolinom.

U praksi ne postoje u potpunosti prva dva tipa sustava nego se oni opisuju većim ili manjim približenjem (aproksimacijom). Tako se stanje u parnom kotlu može opisati kao zatvoreni sustav ako je dotok topline jednak gubitcima, pa unutar kotla postoji stalna temperatura, tlak i količina pare. Zakonitostima promjena unutar termodinamičkoga sustava bavi se termodinamika. [2]

Termodinamički proces[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Termodinamički proces

Termodinamički proces je proces promjene stanja nekog termodinamičkog sustava opisan s pomoću makroskopskih veličina (temperatura, tlak, toplina, volumen), na primjer adijabatski proces, izoprocesi (izotermni, izobarni, izohorni, izentropni).

Termodinamički se reverzibilni proces (povratni proces) zbiva kada termodinamički sustav od početnoga do konačnoga stanja sporo prolazi kroz više ravnotežnih stanja, a može se odvijati i u suprotnom smjeru. Termodinamički ireverzibilni proces (nepovratni proces) zbiva se kada termodinamički sustav od početnoga do konačnoga stanja brzo prolazi kroz više neravnotežnih stanja i ne može se odvijati u suprotnom smjeru. Rad termodinamičkoga sustava ovisi o vrsti termodinamičkoga procesa kojim je sustav iz početnoga došao u konačno stanje.

Kružni termodinamički proces je proces kojim se termodinamički sustav nakon više stanja dovodi u početno stanje, na primjer Carnotov kružni proces (dva izotermna i dva adijabatska procesa), Dieselov kružni proces (izobarni, izentropni, izohoni i izentropni proces). [3]

Izoprocesi[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Izoprocesi

Izoprocesi su termodinamički procesi u kojima se količina tvari i jedna od veličina stanja sustava ne mijenjaju:

Stacionarno stanje[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Stacionarno stanje

Stacionarno stanje je stanje sustava pri kojem se njegovi makroskopski čimbenici (parametri) ne mijenjaju ili u koje se sustav periodički vraća. Iz stacionarnoga stanja sustav može pokrenuti samo djelovanje vanjske sile. Moderna fizika (kvantna mehanika) proširila je pojam stacionarnoga stanja u tom smislu da stacionarno stanje ne mora biti najniže energetsko stanje čestice, nego se čestica može nalaziti konačno mnogo vremena samo u određenim stacionarnim stanjima, pravilno raspoređenima po energiji. Prijelaz između dvaju stacionarnih stanja moguć je samo uz emisiju, odnosno apsorpciju energije. [5]

Kemijska termodinamika[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Kemijska termodinamika

Kemijska termodinamika je grana termodinamike koja se bavi energijskim pretvorbama (transformacijama) tijekom kemijskih reakcija. Njezin je primarni cilj da na temelju energijskih promjena odredi uvjete koji određuju smjer spontane kemijske reakcije i njezin doseg, jer pretvorba (konverzija) reaktanata u produkte najčešće nije potpuna, pa kemijske reakcije napreduju samo do kemijske ravnoteže, to jest do stupnja u kojem se omjer koncentracija reaktanata i produkata više ne mijenja. Da bi se opisalo stanje sustava, promjene stanja i uvjeti pri kojima proces nastaje, primjenjuju se zakoni termodinamike. Promjena unutarnje energije sustava funkcija je topline i rada. U sustavu u kojem nastaje neka promjena, a volumen se sustava pritom ne mijenja, nastala toplina jednaka je promjeni unutarnje energije, dok se toplina nastala u sustavu tijekom promjene pri konstantnom tlaku određuje kao promjena entalpije, a jednaka je razlici entalpije konačnog i početnoga stanja. Sve spontane promjene u izoliranom sustavu dovode do porasta entropije sustava, koju je također moguće izračunati kao razliku entropije konačnog i početnoga stanja. [6]

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. termodinamika, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  2. termodinamički sustav, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  3. termodinamički proces, [3] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  4. izoprocesi, [4] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  5. stacionarno stanje, [5] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  6. termodinamika, kemijska, [6] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]