Physiker und Vertreter anderer Wissenschaften hatten lange Zeit eine Art zu beschreiben, was sie bei ihren Experimenten beobachten. Der fehlende Konsens und das Vorhandensein einer großen Anzahl von Begriffen, die „aus heiterem Himmel“genommen wurden, führten zu Verwirrung und Missverständnissen unter den Kollegen. Im Laufe der Zeit erwarb jeder Zweig der Physik seine etablierten Definitionen und Maßeinheiten. So erschienen thermodynamische Parameter, die die meisten makroskopischen Veränderungen im System erklären.
Definition
Zustandsparameter oder thermodynamische Parameter sind eine Reihe physikalischer Größen, die zusammen und einzeln das beobachtete System charakterisieren können. Dazu gehören Konzepte wie:
- Temperatur und Druck;
- Konzentration, magnetische Induktion;
- Entropie;
- Enthalpie;
- Gibbs- und Helmholtz-Energien und viele andere.
Intensive und extensive Parameter auswählen. Extensiv sind solche, die direkt von der Masse des thermodynamischen Systems abhängen, undintensiv - die durch andere Kriterien bestimmt werden. Nicht alle Parameter sind gleichermaßen unabhängig, daher müssen zur Berechnung des Gleichgewichtszustands des Systems mehrere Parameter gleichzeitig bestimmt werden.
Darüber hinaus gibt es einige terminologische Meinungsverschiedenheiten unter Physikern. Dieselbe physikalische Eigenschaft kann von verschiedenen Autoren entweder als Prozess oder als Koordinate oder als Größe oder als Parameter oder sogar nur als Eigenschaft bezeichnet werden. Es hängt alles von den Inh alten ab, in denen der Wissenschaftler es verwendet. In einigen Fällen gibt es jedoch standardisierte Empfehlungen, an die sich Verfasser von Dokumenten, Lehrbüchern oder Anordnungen h alten müssen.
Klassifizierung
Es gibt mehrere Klassifikationen thermodynamischer Parameter. Aus dem ersten Absatz ist also bereits bekannt, dass alle Größen unterteilt werden können in:
- extensiv (additiv) - solche Substanzen gehorchen dem Additionsgesetz, dh ihr Wert hängt von der Anzahl der Inh altsstoffe ab;
- intensiv - sie hängen nicht davon ab, wie viel der Substanz für die Reaktion eingenommen wurde, da sie während der Interaktion ausgerichtet werden.
Anhand der Bedingungen, unter denen sich die Stoffe befinden, aus denen sich das System zusammensetzt, lassen sich die Größen in solche einteilen, die Phasenreaktionen und chemische Reaktionen beschreiben. Außerdem müssen die Eigenschaften der Reaktanden berücksichtigt werden. Sie können sein:
- thermomechanisch;
- thermophysikalisch;
- thermochemisch.
Außerdem erfüllt jedes thermodynamische System eine bestimmte Funktion, also können die ParameterCharakterisieren Sie die Arbeit oder Wärme, die als Ergebnis der Reaktion erzeugt wird, und erlauben Sie Ihnen auch, die Energie zu berechnen, die erforderlich ist, um die Masse der Teilchen zu übertragen.
Zustandsvariablen
Der Zustand jedes Systems, einschließlich der Thermodynamik, kann durch eine Kombination seiner Eigenschaften oder Merkmale bestimmt werden. Alle Größen, die nur zu einem bestimmten Zeitpunkt vollständig bestimmt sind und nicht davon abhängen, wie genau das System in diesen Zustand gekommen ist, heißen thermodynamische Zustandsparameter (Größen) oder Zustandsfunktionen.
Das System gilt als stationär, wenn sich die veränderlichen Funktionen über die Zeit nicht ändern. Eine Version des stationären Zustands ist das thermodynamische Gleichgewicht. Jede noch so kleine Änderung im System ist bereits ein Prozess und kann einen bis mehrere veränderliche thermodynamische Zustandsparameter enth alten. Die Abfolge, in der die Zustände des Systems kontinuierlich ineinander übergehen, wird als „Prozesspfad“bezeichnet.
Leider gibt es immer noch Verwirrung mit den Begriffen, da dieselbe Variable sowohl unabhängig als auch das Ergebnis der Addition mehrerer Systemfunktionen sein kann. Daher können Begriffe wie "Zustandsfunktion", "Zustandsparameter", "Zustandsgröße" als Synonyme betrachtet werden.
Temperatur
Einer der unabhängigen Zustandsparameter eines thermodynamischen Systems ist die Temperatur. Es ist ein Wert, der die Menge an kinetischer Energie pro Partikeleinheit charakterisiertthermodynamisches System im Gleichgewicht.
Wenn wir uns der Definition des Konzepts vom Standpunkt der Thermodynamik nähern, dann ist die Temperatur ein Wert, der umgekehrt proportional zur Änderung der Entropie ist, nachdem dem System Wärme (Energie) zugeführt wurde. Wenn sich das System im Gleichgewicht befindet, ist der Temperaturwert für alle seine "Teilnehmer" gleich. Bei einem Temperaturunterschied wird die Energie von einem wärmeren Körper abgegeben und von einem kälteren aufgenommen.
Es gibt thermodynamische Systeme, bei denen bei Energiezufuhr die Unordnung (Entropie) nicht zunimmt, sondern abnimmt. Wenn ein solches System außerdem mit einem Körper interagiert, dessen Temperatur höher als seine eigene ist, gibt es seine kinetische Energie an diesen Körper ab und nicht umgekehrt (basierend auf den Gesetzen der Thermodynamik).
Druck
Druck ist eine Größe, die die Kraft charakterisiert, die auf einen Körper senkrecht zu seiner Oberfläche wirkt. Um diesen Parameter zu berechnen, muss die gesamte Kraft durch die Fläche des Objekts geteilt werden. Die Einheiten dieser Kraft sind Pascal.
Bei thermodynamischen Parametern nimmt das Gas das gesamte ihm zur Verfügung stehende Volumen ein, und außerdem bewegen sich die Moleküle, aus denen es besteht, ständig zufällig und kollidieren miteinander und mit dem Gefäß, in dem sie sich befinden. Diese Stöße bestimmen den Druck des Stoffes auf die Gefäßwände oder den in das Gas eingebrachten Körper. Kraft breitet sich gerade wegen des Unvorhersehbaren in alle Richtungen gleichermaßen ausMolekulare Bewegungen. Um den Druck zu erhöhen, müssen Sie die Temperatur des Systems erhöhen und umgekehrt.
Innere Energie
Zu den wichtigsten thermodynamischen Parametern, die von der Masse des Systems abhängen, gehört die innere Energie. Sie besteht aus der kinetischen Energie aufgrund der Bewegung der Moleküle eines Stoffes sowie aus der potentiellen Energie, die entsteht, wenn die Moleküle miteinander wechselwirken.
Dieser Parameter ist eindeutig. Das heißt, der Wert der inneren Energie ist immer dann konstant, wenn sich das System im gewünschten Zustand befindet, unabhängig davon, auf welche Weise er (der Zustand) erreicht wurde.
Es ist unmöglich, die innere Energie zu verändern. Sie ist die Summe der vom System abgegebenen Wärme und der von ihm geleisteten Arbeit. Bei einigen Prozessen werden andere Parameter berücksichtigt, wie Temperatur, Entropie, Druck, Potential und die Anzahl der Moleküle.
Entropie
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines isolierten Systems nicht abnimmt. Eine andere Formulierung postuliert, dass Energie niemals von einem Körper mit niedrigerer Temperatur zu einem heißeren übergeht. Dies wiederum verneint die Möglichkeit, ein Perpetuum mobile zu schaffen, da es unmöglich ist, die gesamte dem Körper zur Verfügung stehende Energie in Arbeit umzuwandeln.
Das eigentliche Konzept der "Entropie" wurde Mitte des 19. Jahrhunderts eingeführt. Dann wurde es als Änderung der Wärmemenge zur Temperatur des Systems wahrgenommen. Aber diese Definition gilt nur fürProzesse, die sich ständig im Gleichgewicht befinden. Daraus können wir folgende Schlussfolgerung ziehen: Wenn die Temperatur der Körper, aus denen das System besteht, gegen Null geht, dann ist auch die Entropie gleich Null.
Entropie als thermodynamischer Parameter des Gaszustandes wird als Maß für die Zufälligkeit, Zufälligkeit der Teilchenbewegung verwendet. Es wird verwendet, um die Verteilung von Molekülen in einem bestimmten Bereich und Gefäß zu bestimmen oder um die elektromagnetische Kraft der Wechselwirkung zwischen den Ionen einer Substanz zu berechnen.
Enthalpie
Enthalpie ist die Energie, die bei konstantem Druck in Wärme (oder Arbeit) umgewandelt werden kann. Das ist das Potential eines Systems, das sich im Gleichgewicht befindet, wenn der Forscher die Entropie, die Anzahl der Moleküle und den Druck kennt.
Wenn der thermodynamische Parameter eines idealen Gases angegeben ist, wird statt der Enthalpie die Formulierung "Energie des erweiterten Systems" verwendet. Um uns diesen Wert leichter erklären zu können, stellen wir uns ein mit Gas gefülltes Gefäß vor, das von einem Kolben gleichmäßig komprimiert wird (z. B. ein Verbrennungsmotor). In diesem Fall entspricht die Enthalpie nicht nur der inneren Energie des Stoffes, sondern auch der Arbeit, die aufgewendet werden muss, um das System in den erforderlichen Zustand zu bringen. Das Ändern dieses Parameters hängt nur vom Anfangs- und Endzustand des Systems ab, und die Art und Weise, wie es empfangen wird, spielt keine Rolle.
Gibbs Energie
Thermodynamische Parameter und Prozesse sind größtenteils mit dem Energiepotential der Substanzen verbunden, aus denen das System besteht. Somit ist die Gibbs-Energie das Äquivalent der gesamten chemischen Energie des Systems. Sie zeigt, welche Veränderungen im Verlauf chemischer Reaktionen auftreten und ob es überhaupt zu Wechselwirkungen zwischen Stoffen kommt.
Änderung der Energiemenge und Temperatur des Systems im Verlauf der Reaktion wirkt sich auf Begriffe wie Enthalpie und Entropie aus. Die Differenz zwischen diesen beiden Parametern wird als Gibbs-Energie oder isobar-isothermes Potential bezeichnet.
Der Minimalwert dieser Energie wird beobachtet, wenn sich das System im Gleichgewicht befindet und sein Druck, seine Temperatur und seine Materiemenge unverändert bleiben.
Helmholtz Energy
Helmholtz-Energie (nach anderen Quellen - nur freie Energie) ist die potenzielle Menge an Energie, die das System bei der Interaktion mit Körpern, die nicht darin enth alten sind, verliert.
Das Konzept der freien Helmholtz-Energie wird häufig verwendet, um zu bestimmen, welche maximale Arbeit ein System leisten kann, also wie viel Wärme freigesetzt wird, wenn Substanzen von einem Zustand in einen anderen übergehen.
Befindet sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht (d.h. es verrichtet keine Arbeit), dann ist die freie Energie minimal. Das bedeutet, dass die Änderung anderer Parameter wie Temperatur,Druck, die Anzahl der Teilchen tritt ebenfalls nicht auf.
