Termodinamika

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

0. főtétel: a termodinamikai rendszer egyensúlya

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

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 $\Delta U$ 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, w(t12) 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

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 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 csak növekedhet.

III. főtétel

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

Statisztikus termodinamika

0. főtétel

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

1. főtétel (ekvivalencia tétel)

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

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)

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

• Litz József: Hőtan
• Hraskó Péter: Termodinamika és statisztikus fizika

Irodalom

• Goldstein, Martin, and Inge F.. The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press (1993). ISBN 0-674-75325-9. OCLC 32826343  A nontechnical introduction, good on historical and interpretive matters.
• Kazakov, Andrei (2008. augusztus 1.). „Web Thermo Tables – an On-Line Version of the TRC Thermodynamic Tables”. Journal of Research of the National Institutes of Standards and Technology 113 (4), 209–220. o.  
• Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A.. Thermodynamics – an Engineering Approach. McGraw Hill (2002). ISBN 0-07-238332-1. OCLC 45791449 52263994 57548906 
• Fermi, E. (1956). Thermodynamics, Dover, New York.
• Kittel, Charles & Kroemer, Herbert. Thermal Physics. W. H. Freeman Company (1980). ISBN 0-7167-1088-9. OCLC 32932988 48236639 5171399