Termodinamika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A termodinamika (ma már ritkán használt magyar nevén hőtan) a fizika energiaátalakulásokkal foglalkozó tudományterülete.

Egy magára hagyott termodinamikai rendszerben az intenzív állapotjelzők eloszlása homogénné válik, vagyis a rendszer egyensúlyi állapotba kerül. Az egyensúlyi állapottal a termosztatika foglalkozik. Minden pontjában ugyanakkora nyomás, hőmérséklet stb. lesz. Termodinamikai elveken (is) alapszik pl.: időjárás-előrejelzés, robbanómotorok, repülőgép-hajtóművek, hűtőszekrény, kuktafazék, kémény. Néhány fogalom, mely kapcsolódik a termodinamikához: tömeg, tömegáram, hőátadás, munka, hő, belső energia, nyomás, fázis, entrópia, entalpia, fajhő, ideális gáz, Carnot-körfolyamat.

Klasszikus termodinamika[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

0. főtétel: a termodinamikai rendszer egyensúlya[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A nulladik főtétel tulajdonképpen nem egyetlen "törvényt", hanem több posztulátumot jelent, amelyek a termodinamikai rendszer egyensúlyával kapcsolatosak. Ezek:

  • bármely magára hagyott termodinamikai rendszer egy idő után egyensúlyi állapotba kerül amelyből önmagától nem mozdulhat ki;
  • egy egyensúlyban levő termodinamikai rendszer szabadságfokainak száma a környezetével megvalósítható kölcsönhatások számával egyenlő;
  • a két testből álló magára hagyott termodinamikai rendszer egyensúlyban van, ha a testek között fellépő kölcsönhatásokat jellemző intenzív állapothatározóik egyenlők;
  • az egyensúly tranzitív (ha A rendszer termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel, akkor ebből következik, hogy A és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van egymással).

I. főtétel – Energiamegmaradás törvénye[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A termodinamika első főtétele mennyiségi összefüggést állapít meg a mechanikai munka, a cserélt hő és a belső energia változása között. Egy nyugvó és zárt termodinamikai rendszer belső energiáját, amennyiben annak belsejében nem zajlik le fázisátalakulás vagy kémiai reakció, kétféleképpen lehet megváltoztatni: munkavégzéssel és hőközléssel. A rendszer belső energiájának megváltozása ΔU tehát a vele közölt Q hőmennyiség és a rajta végzett W (bármilyen) munka összege:

\Delta U= Q+W \,

Áramló közegre a hő és a technikai munka összege így számolható:

q_{12} + w_{t12} = h_2-h_1 + \frac{1}{2}(c_2^2 - c_1^2)+g(z_2-z_1)

ahol q a hő, wt12 a technikai munka, h az entalpia, c a közegáramlás sebessége, g a gravitációs állandó és z a vizsgált pont magassága (helyzete). Differenciális alakban:

\mathrm{d}U=\delta Q+ \delta W \,

Következménye: Nincs olyan periodikusan működő gép, ú.n. elsőfajú perpetuum mobile (örökmozgó), mely hőfelvétel nélkül képes lenne munkát végezni.

II. főtétel[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A második főtétel a spontán folyamatok irányát szabja meg. Több, látszólag lényegesen különböző megfogalmazása van.

  • Clausius-féle megfogalmazás (1850.): A természetben nincs olyan folyamat, amelyben a hő önként, külső munkavégzés nélkül hidegebb testről melegebbre menne át. Csakis fordított irányú folyamatok lehetségesek.
  • Kelvin-Planck-féle megfogalmazás (1851., 1903.): A természetben nincs olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszít, és ez a hő munkává alakulna át. Szemléletesen egy hajó lehetne ilyen, amelyik a tenger vizéből hőenergiát von el és a kivont hőenergiával hajtja magát. Ez nem mond ellent az energiamegmaradásnak, mégsem kivitelezhető.

Az ilyen gépet másodfajú perpetuum mobile|perpetuum mobilének nevezzük, tehát az állítás szerint nem létezik másodfajú perpetuum-mobile.

A két megfogalmazás egymásból következik, de a levezetése nem teljesen egyszerű.

A második alaptörvénynek ezek és az ezekhez hasonló megfogalmazásai zavarbaejtőek, hiszen a fizika többi, összefüggéseket megállapító törvényeivel szemben valaminek a létezését tagadják. Egy jobb megfogalmazás végett egy új fogalom került bevezetésre: az entrópia. A termodinamika második alaptörvénye az entrópia felhasználásával a következőképpen fogalmazható meg: a spontán folyamatok esetében a magukra hagyott rendszerek entrópiája nem csökkenhet.

III. főtétel[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Nernst megfogalmazása szerint az abszolút tiszta kristályos anyagok entrópiája nulla kelvin hőmérsékleten zérus.

Statisztikus termodinamika[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

0. főtétel[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az egyszerű rendszereknek vannak olyan speciális, u.n. egyensúlyi állapotai, melyek makroszkopikus szempontból egyértelműen jellemezhetőek belső energiájukkal, térfogatukkal, és molekulaszámukkal.

1. főtétel (ekvivalencia tétel)[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egy folyamat során a rendszernek átadott hőt egyértelműen meghatározza a belső energia növekedése és a rendszeren végzett munka az alábbiak szerint:

\Delta Q=\Delta U-(-\Delta W) \,

2. főtétel[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Minden egyensúlyi rendszerhez rendelhető egy S függvény, a rendszer entrópiája, mely a rendszer állapotát jellemző extenzív paraméterek függvénye. Az entrópia tulajdonságai:

  • A belső energia növekedésével monoton nő
  • Extenzív mennyiség
  • Részleges egyensúlyi állapot entrópiája megegyezik annak az osztott rendszernek az entrópiájával, amelyből a falak szigetelő tulajdonságainak megszüntetésével keletkezett.
  • Az entrópia legyen a lehető legnagyobb érték, amely a falak még megmaradó szigetelő tulajdonságaival összefér.

3. főtétel (Nernst-tétel)[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Két olyan állapot entrópiájának a különbsége, amelyek kvázisztatikusan átalakíthatók egymásba, T\to 0-nál nullához tart, azaz

\lim_{T\to 0}\Delta S=0

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]