Termodynamik

Termodynamik är en gren av fysiken som handlar om värme , arbete och temperatur , och deras relation till energi , entropi och materias och strålningens fysikaliska egenskaper . Beteendet hos dessa storheter styrs av termodynamikens fyra lagar som ger en kvantitativ beskrivning med hjälp av mätbara makroskopiska fysikaliska storheter , men som kan förklaras i termer av mikroskopiska beståndsdelar av statistisk mekanik . Termodynamik gäller en mängd olika ämnen inom naturvetenskap och teknik , särskilt fysikalisk kemi , biokemi , kemiteknik och maskinteknik , men även inom andra komplexa områden som meteorologi .

Historiskt sett utvecklades termodynamiken ur en önskan att öka effektiviteten hos tidiga ångmaskiner , särskilt genom arbetet av den franska fysikern Sadi Carnot (1824) som trodde att motoreffektivitet var nyckeln som kunde hjälpa Frankrike att vinna Napoleonkrigen . Den skotska-irländska fysikern Lord Kelvin var den förste som formulerade en kortfattad definition av termodynamik 1854, som sade: "Termodynamik är ämnet för förhållandet mellan värme och krafter som verkar mellan sammanhängande delar av kroppar, och förhållandet mellan värme och elektriska organ. ." Den tyske fysikern och matematikern Rudolf Clausius upprepade Carnots princip känd som Carnot-cykeln och gav så värmeteorin en sannare och sundare grund. Hans viktigaste papper, "On the Moving Force of Heat", publicerad 1850, angav först termodynamikens andra lag . 1865 introducerade han begreppet entropi . År 1870 introducerade han den viriala satsen , som tillämpades på värme .

Den initiala tillämpningen av termodynamik på mekaniska värmemotorer utvidgades snabbt till studier av kemiska föreningar och kemiska reaktioner. Kemisk termodynamik studerar karaktären av entropins roll i processen för kemiska reaktioner och har gett huvuddelen av expansion och kunskap om området. Andra formuleringar av termodynamik dök upp. Statistisk termodynamik , eller statistisk mekanik, sysslar med statistiska förutsägelser av partiklars kollektiva rörelse utifrån deras mikroskopiska beteende. 1909 presenterade Constantin Carathéodory ett rent matematiskt tillvägagångssätt i en axiomatisk formulering, en beskrivning som ofta kallas geometrisk termodynamik .

Introduktion

termodynamikens fyra lagar som utgör en axiomatisk grund. Den första lagen specificerar att energi kan överföras mellan fysiska system som värme , som arbete och med överföring av materia. Den andra lagen definierar förekomsten av en kvantitet som kallas entropi , som beskriver riktningen, termodynamiskt, som ett system kan utvecklas och kvantifierar ett systems ordningstillstånd och som kan användas för att kvantifiera det användbara arbete som kan extraheras från systemet .

Inom termodynamik studeras och kategoriseras interaktioner mellan stora ensembler av objekt. Centralt i detta är begreppen om det termodynamiska systemet och dess omgivningar . Ett system är sammansatt av partiklar, vars genomsnittliga rörelser definierar dess egenskaper, och dessa egenskaper är i sin tur relaterade till varandra genom tillståndsekvationer . Egenskaper kan kombineras för att uttrycka intern energi och termodynamiska potentialer , vilka är användbara för att bestämma villkor för jämvikt och spontana processer .

Med dessa verktyg kan termodynamik användas för att beskriva hur system reagerar på förändringar i sin miljö. Detta kan tillämpas på en mängd olika ämnen inom vetenskap och teknik , såsom motorer , fasövergångar , kemiska reaktioner , transportfenomen och till och med svarta hål . Resultaten av termodynamiken är viktiga för andra områden av fysik och för kemi , kemiteknik , korrosionsteknik , rymdteknik , maskinteknik , cellbiologi , biomedicinsk teknik , materialvetenskap och ekonomi , för att nämna några.

Denna artikel fokuserar främst på klassisk termodynamik som i första hand studerar system i termodynamisk jämvikt . Termodynamik som inte är jämvikt behandlas ofta som en förlängning av den klassiska behandlingen, men statistisk mekanik har fört många framsteg till det området.

Historia

Termodynamikerna som representerar de ursprungliga åtta grundskolorna för termodynamiken . De skolor som har den mest varaktiga effekten när det gäller att grunda de moderna versionerna av termodynamiken är Berlinskolan, särskilt den som fastställdes i Rudolf Clausius lärobok från 1865 The Mechanical Theory of Heat , Wienskolan, med Ludwig Boltzmanns statistiska mekanik , och Gibbsian school vid Yale University, den amerikanske ingenjören Willard Gibbs 1876 On the Equilibrium of Heterogeneous Substances lanserar kemisk termodynamik .

Termodynamikens historia som en vetenskaplig disciplin börjar generellt med Otto von Guericke som 1650 byggde och designade världens första vakuumpump och demonstrerade ett vakuum med sina Magdeburgska halvklot . Guericke drevs att skapa ett vakuum för att motbevisa Aristoteles länge hållna antagande att "naturen avskyr ett vakuum". Strax efter Guericke hade den anglo-irländska fysikern och kemisten Robert Boyle fått reda på Guerickes konstruktioner och byggde 1656, i samordning med den engelske vetenskapsmannen Robert Hooke , en luftpump. Med den här pumpen märkte Boyle och Hooke en korrelation mellan tryck , temperatur och volym . Med tiden formulerades Boyles lag , som säger att tryck och volym är omvänt proportionella . Sedan, 1679, byggde en medarbetare till Boyle vid namn Denis Papin en ångkokare , som var ett slutet kärl med ett tättslutande lock som innehöll ånga tills ett högt tryck genererades, baserat på dessa koncept.

Senare konstruktioner implementerade en ångutlösningsventil som hindrade maskinen från att explodera. Genom att se ventilen rytmiskt röra sig upp och ner, kom Papin på idén med en kolv- och en cylindermotor. Han följde dock inte med sin design. Men 1697, baserat på Papins konstruktioner, byggde ingenjören Thomas Savery den första motorn, följt av Thomas Newcomen 1712. Även om dessa tidiga motorer var grova och ineffektiva, väckte de uppmärksamheten från den tidens ledande vetenskapsmän.

De grundläggande begreppen värmekapacitet och latent värme , som var nödvändiga för utvecklingen av termodynamiken, utvecklades av professor Joseph Black vid University of Glasgow, där James Watt var anställd som instrumenttillverkare. Black och Watt utförde experiment tillsammans, men det var Watt som kom på idén om den externa kondensorn som resulterade i en stor ökning av ångmaskinens effektivitet. Utgående från allt tidigare arbete ledde Sadi Carnot , "termodynamikens fader", att publicera Reflections on the Motive Power of Fire (1824), en diskurs om värme, kraft, energi och motoreffektivitet. Boken beskrev de grundläggande energiska relationerna mellan Carnot-motorn , Carnot -cykeln och drivkraften. Det markerade starten för termodynamiken som en modern vetenskap.

Den första termodynamiska läroboken skrevs 1859 av William Rankine , ursprungligen utbildad till fysiker och professor i civil- och maskinteknik vid University of Glasgow . Termodynamikens första och andra lagar dök upp samtidigt på 1850-talet, främst ur verk av William Rankine , Rudolf Clausius och William Thomson (Lord Kelvin). Grunderna för statistisk termodynamik fastställdes av fysiker som James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann , Max Planck , Rudolf Clausius och J. Willard Gibbs .

Clausius, som först angav grundidéerna i den andra lagen i sin artikel "On the Moving Force of Heat", publicerad 1850, och kallas "en av termodynamikens grundare", introducerade begreppet entropi 1865 .

Under åren 1873–76 publicerade den amerikanske matematiska fysikern Josiah Willard Gibbs en serie om tre artiklar, den mest kända var On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, där han visade hur termodynamiska processer , inklusive kemiska reaktioner , kunde analyseras grafiskt, genom att studera energi , entropi , volym , temperatur och tryck i det termodynamiska systemet på ett sådant sätt, kan man avgöra om en process skulle inträffa spontant . Också Pierre Duhem skrev på 1800-talet om kemisk termodynamik. Under det tidiga 1900-talet tillämpade kemister som Gilbert N. Lewis , Merle Randall och EA Guggenheim Gibbs matematiska metoder för analys av kemiska processer.

Etymologi

Termodynamikens etymologi har en intrikat historia. Det stavades först i en avstavningsform som ett adjektiv ( termodynamisk ) och från 1854 till 1868 som substantivet termodynamik för att representera vetenskapen om generaliserade värmemotorer.

Den amerikanske biofysikern Donald Haynie hävdar att termodynamiken myntades 1840 från den grekiska roten θέρμη terme, som betyder "värme", och δύναμις dynamis, som betyder "kraft".

Pierre Perrot hävdar att termen termodynamik myntades av James Joule 1858 för att beteckna vetenskapen om relationer mellan värme och kraft, dock använde Joule aldrig den termen, utan använde istället termen perfekt termodynamisk motor med hänvisning till Thomsons frasologi från 1849.

År 1858 användes termodynamik , som en funktionell term, i William Thomsons artikel "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat."

Termodynamikens grenar

Studiet av termodynamiska system har utvecklats till flera relaterade grenar, var och en med olika grundläggande modell som teoretisk eller experimentell grund, eller tillämpar principerna på olika typer av system.

Klassisk termodynamik

Klassisk termodynamik är beskrivningen av tillstånden i termodynamiska system vid nära jämvikt, som använder makroskopiska, mätbara egenskaper. Det används för att modellera utbyten av energi, arbete och värme baserat på termodynamikens lagar . Kvalificeraren klassisk återspeglar det faktum att den representerar den första nivån av förståelse för ämnet när det utvecklades på 1800-talet och beskriver förändringarna av ett system i termer av makroskopiska empiriska (storskaliga och mätbara) parametrar. En mikroskopisk tolkning av dessa begrepp gavs senare av utvecklingen av statistisk mekanik .

Statistisk mekanik

Statistisk mekanik , även känd som statistisk termodynamik, uppstod med utvecklingen av atomära och molekylära teorier i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet, och kompletterade klassisk termodynamik med en tolkning av de mikroskopiska interaktionerna mellan enskilda partiklar eller kvantmekaniska tillstånd. Detta fält relaterar de mikroskopiska egenskaperna hos enskilda atomer och molekyler till de makroskopiska bulkegenskaperna hos material som kan observeras i mänsklig skala, och förklarar därigenom klassisk termodynamik som ett naturligt resultat av statistik, klassisk mekanik och kvantteori på mikroskopisk nivå .

Kemisk termodynamik

Kemisk termodynamik är studiet av energins inbördes samband med kemiska reaktioner eller med en fysisk förändring av tillståndet inom termodynamikens gränser . Det primära syftet med kemisk termodynamik är att bestämma spontaniteten för en given transformation.

Jämviktstermodynamik

Jämviktstermodynamik är studiet av överföringar av materia och energi i system eller kroppar som, av organ i sin omgivning, kan drivas från ett tillstånd av termodynamisk jämvikt till ett annat. Termen "termodynamisk jämvikt" indikerar ett balanstillstånd, där alla makroskopiska flöden är noll; i fallet med de enklaste systemen eller kropparna är deras intensiva egenskaper homogena och deras tryck är vinkelräta mot deras gränser. I ett jämviktstillstånd finns det inga obalanserade potentialer, eller drivkrafter, mellan makroskopiskt distinkta delar av systemet. Ett centralt mål inom jämviktstermodynamiken är: givet ett system i ett väldefinierat initialt jämviktstillstånd, och givet dess omgivning, och givet dess konstituerande väggar, att beräkna vad som kommer att vara det slutliga jämviktstillståndet för systemet efter att en specificerad termodynamisk operation har ändrats dess väggar eller omgivningar.

Termodynamik i icke-jämvikt

Icke-jämviktstermodynamik är en gren av termodynamiken som handlar om system som inte är i termodynamisk jämvikt . De flesta system som finns i naturen är inte i termodynamisk jämvikt eftersom de inte är i stationära tillstånd och är kontinuerligt och diskontinuerligt föremål för flöde av materia och energi till och från andra system. Den termodynamiska studien av icke-jämviktssystem kräver mer allmänna begrepp än vad som behandlas av jämviktstermodynamiken. Många naturliga system ligger fortfarande utanför omfattningen av för närvarande kända makroskopiska termodynamiska metoder.

Termodynamikens lagar

Huvudartikel: Termodynamikens lagar

Kommenterad färgversion av den ursprungliga Carnot-värmemotorn från 1824 som visar den heta kroppen (panna), arbetskroppen (system, ånga) och den kalla kroppen (vatten), bokstäverna märkta enligt stopppunkterna i Carnot-cykeln .

Termodynamik är huvudsakligen baserad på en uppsättning av fyra lagar som är universellt giltiga när de tillämpas på system som faller inom de begränsningar som var och en antyder. I de olika teoretiska beskrivningarna av termodynamiken kan dessa lagar uttryckas i till synes olika former, men de mest framträdande formuleringarna är följande.

Noll lag

Termodynamikens nollte lag säger : Om två system är vardera i termisk jämvikt med en tredje, är de också i termisk jämvikt med varandra.

Detta uttalande antyder att termisk jämvikt är en ekvivalensrelation på uppsättningen av termodynamiska system som övervägs. System sägs vara i jämvikt om de små, slumpmässiga utbytena mellan dem (t.ex. Brownsk rörelse ) inte leder till en nettoförändring av energi. Denna lag antas tyst i varje temperaturmätning. Således, om man försöker avgöra om två kroppar har samma temperatur , är det inte nödvändigt att föra dem i kontakt och mäta eventuella förändringar av deras observerbara egenskaper i tid. Lagen ger en empirisk definition av temperatur och motivering för konstruktionen av praktiska termometrar.

Den nollte lagen erkändes från början inte som en separat termodynamisk lag, eftersom dess grund i termodynamisk jämvikt antyddes i de andra lagarna. Den första, andra och tredje lagen hade redan uttryckligen angetts och fann allmän acceptans i fysiksamhället innan betydelsen av den nollte lagen för definitionen av temperatur insågs. Eftersom det var opraktiskt att numrera om de andra lagarna, fick den namnet den nollte lagen .

Första lagen

Termodynamikens första lag säger : I en process utan överföring av materia är förändringen i inre energi , $\Delta U$ , i ett termodynamiskt system lika med energin som erhålls som värme, $Q$ , minus det termodynamiska arbetet, $W$ , utfört av systemet på dess omgivning.

$\Delta U=QW$ .

där $\Delta U$ betecknar förändringen i den interna energin i ett slutet system (för vilket värme eller arbete genom systemgränsen är möjlig, men materialöverföring inte är möjlig), $Q$ betecknar mängden energi som tillförs systemet som värme, och $W$ anger mängden termodynamiskt arbete som systemet utför på sin omgivning. Ett motsvarande påstående är att evighetsmaskiner av det första slaget är omöjliga; arbete $W$ som utförs av ett system på dess omgivning kräver att systemets interna energi $U$ minskar eller förbrukas, så att mängden intern energi som går förlorad genom det arbetet måste återföras som värme Q $\ displaystyle Q}$ av en extern energikälla eller som arbete av en extern maskin som verkar på systemet (så att $U$ återställs) för att få systemet att fungera kontinuerligt.

För processer som inkluderar överföring av materia behövs ytterligare ett uttalande: Med vederbörlig hänsyn till systemens respektive referenstillstånd, när två system, som kan ha olika kemisk sammansättning, initialt endast separerade av en ogenomtränglig vägg och i övrigt isolerade , kombineras till ett nytt system genom den termodynamiska operationen för borttagning av väggen, då

$U_{0}=U_{1}+U_{2}$ ,

där U ₀ betecknar det kombinerade systemets inre energi, och U ₁ och U ₂ betecknar de inre energierna i de respektive separerade systemen.

Anpassad för termodynamik är denna lag ett uttryck för principen om energibevarande , som säger att energi kan omvandlas (förändras från en form till en annan), men inte kan skapas eller förstöras.

Intern energi är en huvudsaklig egenskap hos det termodynamiska tillståndet , medan värme och arbete är energiöverföringssätt genom vilka en process kan ändra detta tillstånd. En förändring av intern energi i ett system kan uppnås genom vilken kombination som helst av värme som tillförs eller avlägsnas och arbete som utförs på eller av systemet. Som en funktion av tillståndet beror inte den inre energin på det sätt, eller på vägen genom mellanliggande steg, genom vilken systemet kom till sitt tillstånd.

Andra lagen

En traditionell version av termodynamikens andra lag säger: Värme flödar inte spontant från en kallare kropp till en varmare kropp.

Den andra lagen hänvisar till ett system av materia och strålning, initialt med inhomogeniteter i temperatur, tryck, kemisk potential och andra intensiva egenskaper , som beror på interna "begränsningar" eller ogenomträngliga stela väggar, inom det, eller på externt pålagda krafter . Lagen observerar att när systemet är isolerat från omvärlden och från dessa krafter, finns det en bestämd termodynamisk storhet, dess entropi , som ökar när begränsningarna tas bort och så småningom når ett maximalt värde vid termodynamisk jämvikt, när inhomogeniteterna praktiskt taget försvinna. För system som initialt är långt ifrån termodynamisk jämvikt, även om flera har föreslagits, finns det ingen allmän fysikalisk princip som bestämmer hastigheterna för närmande till termodynamisk jämvikt, och termodynamiken hanterar inte sådana hastigheter. De många versionerna av den andra lagen uttrycker alla irreversibiliteten hos ett sådant tillvägagångssätt för termodynamisk jämvikt.

Inom makroskopisk termodynamik är den andra lagen en grundläggande observation som är tillämplig på vilken verklig termodynamisk process som helst; inom statistisk termodynamik postuleras den andra lagen vara en konsekvens av molekylärt kaos.

Tredje lagen

Termodynamikens tredje lag säger : När temperaturen i ett system närmar sig absolut noll, upphör alla processer och systemets entropi närmar sig ett minimivärde.

Denna termodynamiska lag är en statistisk naturlag angående entropi och omöjligheten att nå absoluta temperaturnoll. Denna lag ger en absolut referenspunkt för bestämning av entropi. Entropin som bestäms i förhållande till denna punkt är den absoluta entropin. Alternativa definitioner inkluderar "entropin för alla system och alla tillstånd i ett system är minst vid absoluta noll", eller motsvarande "det är omöjligt att nå den absoluta nollpunkten för temperaturen med vilket ändligt antal processer som helst".

Den absoluta nollpunkten, vid vilken all aktivitet skulle stoppas om det var möjligt att uppnå, är -273,15 °C (grader Celsius), eller -459,67 °F (grader Fahrenheit), eller 0 K (kelvin), eller 0° R (grader Rankine ) ).

Systemmodeller

Ett diagram över ett generiskt termodynamiskt system

Ett viktigt koncept inom termodynamiken är det termodynamiska systemet , som är en exakt definierad region av universum som studeras. Allt i universum utom systemet kallas omgivningen . Ett system är separerat från resten av universum genom en gräns som kan vara en fysisk eller teoretisk, men tjänar till att begränsa systemet till en ändlig volym. Segment av gränsen beskrivs ofta som väggar ; de har respektive definierade "permeabiliteter". Överföringar av energi som arbete , eller som värme , eller av materia , mellan systemet och omgivningen, sker genom väggarna, enligt deras respektive permeabiliteter.

Materia eller energi som passerar över gränsen för att åstadkomma en förändring av systemets inre energi måste tas med i energibalansekvationen. Volymen som väggarna innehåller kan vara regionen som omger en enstaka atoms resonansenergi, såsom Max Planck definierad 1900; det kan vara en kropp av ånga eller luft i en ångmaskin , som Sadi Carnot definieras 1824. Systemet kan också vara bara en nuklid (dvs. ett system av kvarkar ) som hypotesen i kvanttermodynamik . När en lösare synvinkel antas, och kravet på termodynamisk jämvikt sjunker, kan systemet vara kroppen av en tropisk cyklon , som Kerry Emanuel teoretiserade 1986 inom området atmosfärisk termodynamik , eller händelsehorisonten för ett svart hål .

Gränser är av fyra typer: fasta, rörliga, verkliga och imaginära. Till exempel i en motor betyder en fast gräns att kolven är låst i sitt läge, inom vilket en konstant volymprocess kan inträffa. Om kolven tillåts röra sig är den gränsen rörlig medan cylinder- och topplocksgränserna är fixerade. För slutna system är gränser verkliga medan gränser för öppna system ofta är imaginära. I fallet med en jetmotor kan en fast imaginär gräns antas vid motorns intag, fasta gränser längs ytan av höljet och en andra fix imaginär gräns över avgasmunstycket.

Generellt sett särskiljer termodynamiken tre klasser av system, definierade i termer av vad som tillåts passera deras gränser:

Interaktioner mellan termodynamiska system

Typ av system	Massflöde	Arbete	Värme
Öppen	Y	Y	Y
Stängd	N	Y	Y
Termiskt isolerad	N	Y	N
Mekaniskt isolerad	N	N	Y
Isolerat	N	N	N

Allt eftersom tiden går i ett isolerat system tenderar interna skillnader i tryck, densiteter och temperaturer att jämnas ut. Ett system där alla utjämningsprocesser har slutförts sägs vara i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt .

Väl i termodynamisk jämvikt är ett systems egenskaper per definition oförändrade i tiden. System i jämvikt är mycket enklare och lättare att förstå än system som inte är i jämvikt. När man analyserar en dynamisk termodynamisk process görs ofta det förenklade antagandet att varje mellanliggande tillstånd i processen är i jämvikt, vilket producerar termodynamiska processer som utvecklas så långsamt att de tillåter varje mellansteg att vara ett jämviktstillstånd och sägs vara reversibla processer . .

Tillstånd och processer

När ett system är i jämvikt under en given uppsättning förhållanden, sägs det vara i ett bestämt termodynamiskt tillstånd . Systemets tillstånd kan beskrivas av ett antal tillståndskvantiteter som inte beror på processen genom vilken systemet kom till sitt tillstånd. De kallas intensiva variabler eller extensiva variabler beroende på hur de förändras när storleken på systemet ändras. Systemets egenskaper kan beskrivas med en tillståndsekvation som anger sambandet mellan dessa variabler. Tillstånd kan ses som den momentana kvantitativa beskrivningen av ett system med ett visst antal variabler som hålls konstanta.

En termodynamisk process kan definieras som den energetiska utvecklingen av ett termodynamiskt system som går från ett initialt tillstånd till ett slutligt tillstånd. Det kan beskrivas med processkvantiteter . Typiskt särskiljs varje termodynamisk process från andra processer i energetisk karaktär beroende på vilka parametrar, såsom temperatur, tryck eller volym, etc. som hålls fixerade; Dessutom är det användbart att gruppera dessa processer i par, där varje variabel som hålls konstant är en medlem av ett konjugat par.

Flera vanligt studerade termodynamiska processer är:

• Adiabatisk process : sker utan förlust eller vinst av energi genom värme
• Isentalpisk process : sker vid konstant entalpi
• Isentropisk process : en reversibel adiabatisk process, sker vid konstant entropi
• Isobarisk process : sker vid konstant tryck
• Isokorisk process : sker vid konstant volym (även kallad isometrisk/isovolumetrisk)
• Isotermisk process : sker vid en konstant temperatur
• Steady state process : sker utan förändring av den inre energin

Instrumentation

Det finns två typer av termodynamiska instrument , mätaren och reservoaren. En termodynamisk mätare är vilken enhet som helst som mäter vilken parameter som helst i ett termodynamiskt system . I vissa fall är den termodynamiska parametern faktiskt definierad i termer av ett idealiserat mätinstrument. Till exempel säger den nollte lagen att om två kroppar är i termisk jämvikt med en tredje kropp så är de också i termisk jämvikt med varandra. Denna princip, som noterades av James Maxwell 1872, hävdar att det är möjligt att mäta temperatur. En idealiserad termometer är ett prov av en idealgas vid konstant tryck. Från den ideala gaslagen pV=nRT kan volymen av ett sådant prov användas som en temperaturindikator; på detta sätt definierar den temperaturen. Även om tryck definieras mekaniskt, kan en tryckmätningsanordning, kallad barometer , också konstrueras från ett prov av en idealisk gas som hålls vid en konstant temperatur. En kalorimeter är en anordning som används för att mäta och definiera den inre energin i ett system.

En termodynamisk reservoar är ett system som är så stort att dess tillståndsparametrar inte ändras nämnvärt när det bringas i kontakt med systemet av intresse. När behållaren bringas i kontakt med systemet bringas systemet i jämvikt med behållaren. Till exempel är en tryckbehållare ett system med ett visst tryck, som pålägger det trycket på systemet till vilket den är mekaniskt ansluten. Jordens atmosfär används ofta som en tryckreservoar. Havet kan fungera som temperaturreservoar när det används för att kyla kraftverk.

Konjugera variabler

Huvudartikel: Konjugerade variabler

Termodynamikens centrala begrepp är energi , förmågan att utföra arbete . Enligt den första lagen är den totala energin i ett system och dess omgivning bevarad. Energi kan överföras till ett system genom uppvärmning, komprimering eller tillsats av materia, och extraheras från ett system genom kylning, expansion eller utvinning av materia. Inom mekanik , till exempel, är energiöverföring lika med produkten av kraften som appliceras på en kropp och den resulterande förskjutningen.

Konjugerade variabler är par av termodynamiska begrepp, där den första är besläktad med en "kraft" som appliceras på något termodynamiskt system , den andra är besläktad med den resulterande "förskjutningen" och produkten av de två motsvarar mängden överförd energi. De vanliga konjugerade variablerna är:

• Tryck - volym (de mekaniska parametrarna);
• Temperatur - entropi (termiska parametrar);
• Kemisk potential - partikelantal (materialparametrar).

Potentialer

Termodynamiska potentialer är olika kvantitativa mått på den lagrade energin i ett system. Potentialer används för att mäta energiförändringarna i system när de utvecklas från ett initialt tillstånd till ett slutligt tillstånd. Den potential som används beror på systemets begränsningar, såsom konstant temperatur eller tryck. Till exempel är Helmholtz- och Gibbs-energierna de energier som finns tillgängliga i ett system för att utföra användbart arbete när temperaturen och volymen eller trycket respektive temperaturen är fixerade.

De fem mest kända potentialerna är:

namn	Symbol	Formel	Naturliga variabler
Inre energi	$U$	$\int \left(T\,\mathrm {d} Sp\,\mathrm {d} V+\summa _{i}\ mu _{i}\mathrm {d} N_{i}\right)$	$S,V,\{N_{i}\}$
Helmholtz fri energi	$F$	$U-TS$	$T,V,\{N_{i}\}$
Entalpi	$H$	$U+pV$	$S,p,\{N_{i}\}$
Gibbs fri energi	$G$	$U+pV-TS$	$T,p,\{N_{i}\}$
Landau potential, eller stor potential	$\Omega$ , $\Phi _{\text{G}}$	$U-TS-$$\sum _{i}\,$$\mu _{i}N_{i}$	$T,V,\{\mu _{i}\}$

där $T$ är temperaturen , $V$ {\displaystyle S} entropin , p {\displaystyle p} trycket , { \ $V$ } volymen ${$ μ \ displaystyle $mu }$ den kemiska potentialen , $N$ antalet partiklar i systemet, och $i$ är antalet partikeltyper i systemet.

Termodynamiska potentialer kan härledas från energibalansekvationen som tillämpas på ett termodynamiskt system. Andra termodynamiska potentialer kan också erhållas genom Legendre-transformation .

Axiomatisk termodynamik

Axiomatisk termodynamik är en matematisk disciplin som syftar till att beskriva termodynamiken i termer av rigorösa axiom , till exempel genom att hitta ett matematiskt rigoröst sätt att uttrycka termodynamikens välbekanta lagar .

Det första försöket till en axiomatisk teori om termodynamiken var Constantin Carathéodorys 1909 arbete Undersökningar om grunderna för termodynamiken, som använde sig av Pfaffiska system och begreppet adiabatisk tillgänglighet , ett begrepp som introducerades av Carathéodory själv. I denna formulering härleds termodynamiska begrepp som värme , entropi och temperatur från kvantiteter som är mer direkt mätbara. Teorier som kom efter, skiljde sig åt i den meningen att de gjorde antaganden om termodynamiska processer med godtyckliga initiala och slutliga tillstånd, i motsats till att endast beakta angränsande tillstånd.

Tillämpade fält

• Atmosfärisk termodynamik
• Biologisk termodynamik
• Svarta håls termodynamik
• Kemisk termodynamik
• Klassisk termodynamik
• Jämviktstermodynamik
• Industriell ekologi (re: Exergy )
• Maximal entropi termodynamik
• Termodynamik i icke-jämvikt
• Filosofi för termisk och statistisk fysik
• Psykrometri
• Kvanttermodynamik
• Statistisk termodynamik , dvs statistisk mekanik
• Termoekonomi
• Polymerkemi
• Termodynamik för förnybar energi

Se även

• Termodynamisk processväg

Listor och tidslinjer

• Lista över viktiga publikationer inom termodynamik
• Lista över läroböcker om termodynamik och statistisk mekanik
• Lista över värmeledningsförmåga
• Lista över termodynamiska egenskaper
• Tabell över termodynamiska ekvationer
• Termodynamikens tidslinje
• Termodynamiska ekvationer

Vidare läsning

•    Goldstein, Martin & Inge F. (1993). Kylskåpet och universum . Harvard University Press. ISBN 978-0-674-75325-9 . OCLC 32826343 . En icke-teknisk introduktion, bra på historiska och tolkningsfrågor.
•     Kazakov, Andrei; Muzny, Chris D.; Chirico, Robert D.; Diky, Vladimir V.; Frenkel, Michael (2008). "Web Thermo Tables – en onlineversion av TRC Thermodynamic Tables" . Journal of Research vid National Institute of Standards and Technology . 113 (4): 209–220. doi : 10.6028/jres.113.016 . ISSN 1044-677X . PMC 4651616 . PMID 27096122 .
• Gibbs JW (1928). The Collected Works of J. Willard Gibbs Thermodynamics . New York: Longmans, Green och Co. Vol. 1, s. 55–349.
• Guggenheim EA (1933). Modern termodynamik enligt Willard Gibbs metoder . London: Methuen & co. Ltd.
• Denbigh K. (1981). Principerna för kemisk jämvikt: med tillämpningar inom kemi och kemiteknik . London: Cambridge University Press.
• Stull, DR, Westrum Jr., EF och Sinke, GC (1969). Organiska föreningars kemiska termodynamik . London: John Wiley and Sons, Inc. {{ citera bok }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
•   Bazarov IP (2010). Termodynamik: Lärobok . St Petersburg: Lan förlag. sid. 384. ISBN 978-5-8114-1003-3 . 5:e uppl. (på ryska)
• Bawendi Moungi G., Alberty Robert A. och Silbey Robert J. (2004). Fysikalisk kemi . J. Wiley & Sons, Incorporated.
• Alberty Robert A. (2003). Biokemiska reaktioners termodynamik . Wiley-Interscience.
•    Alberty Robert A. (2006). Biokemisk termodynamik: Tillämpningar av Mathematica . Metoder för biokemisk analys . Vol. 48. John Wiley & Sons, Inc. s. 1–458. ISBN 978-0-471-75798-6 . PMID 16878778 .
•   Dill Ken A., Bromberg Sarina (2011). Molekylära drivkrafter: statistisk termodynamik i biologi, kemi, fysik och nanovetenskap . Garland Science. ISBN 978-0-8153-4430-8 .
•   M. Scott Shell (2015). Termodynamik och statistisk mekanik: en integrerad metod . Cambridge University Press. ISBN 978-1107656789 .
•   Douglas E. Barrick (2018). Biomolekylär termodynamik: från teori till tillämpningar . CRC Tryck. ISBN 978-1-4398-0019-5 .

Följande titlar är mer tekniska:

•   Bejan, Adrian (2016). Advanced Engineering Thermodynamics (4 uppl.). Wiley. ISBN 978-1-119-05209-8 .
•    Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A. (2002). Termodynamik – en ingenjörsmetod . McGraw Hill. ISBN 978-0-07-238332-4 . OCLC 45791449 . {{ citera bok }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
•    Dunning-Davies, Jeremy (1997). Kortfattad termodynamik: principer och tillämpningar . Horwood Publishing. ISBN 978-1-8985-6315-0 . OCLC 36025958 .
•    Kroemer, Herbert & Kittel, Charles (1980). Termisk fysik . WH Freeman Company. ISBN 978-0-7167-1088-2 . OCLC 32932988 .

externa länkar

• Media relaterade till termodynamik på Wikimedia Commons

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Termodynamik" . Encyclopædia Britannica . Vol. 26 (11:e upplagan). s. 808–814.
• Webbplatser för termodynamikdata och fastighetsberäkning
• Utbildningswebbplatser för termodynamik
• Biokemi Termodynamik
• Termodynamik och statistisk mekanik
• Teknisk termodynamik – ett grafiskt tillvägagångssätt
• Termodynamik och statistisk mekanik av Richard Fitzpatrick