במשך זמן רב, לפיזיקאים ולנציגי מדעים אחרים הייתה דרך לתאר את מה שהם צופים במהלך הניסויים שלהם. היעדר קונצנזוס ונוכחותם של מספר רב של מונחים שנלקחו "באופן כחול" הובילו לבלבול ואי הבנות בקרב עמיתים. עם הזמן, כל ענף בפיזיקה רכש את ההגדרות ויחידות המדידה הקבועות שלו. כך הופיעו פרמטרים תרמודינמיים, המסבירים את רוב השינויים המקרוסקופיים במערכת.
הגדרה
פרמטרים של מצב, או פרמטרים תרמודינמיים, הם מספר כמויות פיזיקליות שיחד וכל אחד בנפרד יכולים לאפיין את המערכת הנצפית. אלה כוללים מושגים כגון:
- טמפרטורה ולחץ;
- ריכוז, אינדוקציה מגנטית;
- entropy;
- enthalpy;
- אנרגיות גיבס והלמהולץ ועוד רבות אחרות.
בחר פרמטרים אינטנסיביים ונרחבים. נרחבים הם אלה התלויים ישירות במסה של המערכת התרמודינמית, ואינטנסיבי - אשר נקבעים לפי קריטריונים אחרים. לא כל הפרמטרים בלתי תלויים באותה מידה, לכן, על מנת לחשב את מצב שיווי המשקל של המערכת, יש צורך לקבוע מספר פרמטרים בו-זמנית.
בנוסף, יש כמה חילוקי דעות טרמינולוגיים בין פיזיקאים. אותו מאפיין פיזי יכול להיקרא על ידי מחברים שונים או תהליך, או קואורדינטה, או כמות, או פרמטר, או אפילו רק תכונה. הכל תלוי בתוכן שבו המדען משתמש בו. אבל במקרים מסוימים, ישנן המלצות סטנדרטיות שמנסחי מסמכים, ספרי לימוד או פקודות חייבים לדבוק בהן.
Classification
יש כמה סיווגים של פרמטרים תרמודינמיים. אז, בהתבסס על הפסקה הראשונה, כבר ידוע שניתן לחלק את כל הכמויות ל:
- extensive (תוסף) - חומרים כאלה מצייתים לחוק התוספת, כלומר, ערכם תלוי במספר המרכיבים;
- אינטנסיבי - הם לא תלויים בכמה מהחומר נלקח לתגובה, מכיוון שהם מיושרים במהלך האינטראקציה.
בהתבסס על התנאים שבהם נמצאים החומרים המרכיבים את המערכת, ניתן לחלק את הכמויות לאלו שמתארות תגובות פאזה ותגובות כימיות. בנוסף, יש לקחת בחשבון את תכונות המגיבים. הם יכולים להיות:
- thermomechanical;
- thermophysical;
- תרמוכימי.
מלבד זה, כל מערכת תרמודינמית מבצעת פונקציה מסוימת, כך שהפרמטרים יכוליםלאפיין את העבודה או החום שנוצר כתוצאה מהתגובה, וגם לאפשר לך לחשב את האנרגיה הדרושה להעברת מסת החלקיקים.
משתני מדינה
ניתן לקבוע את המצב של כל מערכת, כולל תרמודינמית, על ידי שילוב של תכונותיה או מאפייניה. כל המשתנים שנקבעים לחלוטין רק ברגע מסוים בזמן ואינם תלויים כיצד בדיוק הגיעה המערכת למצב זה נקראים פרמטרי מצב תרמודינמיים (משתנים) או פונקציות מצב.
המערכת נחשבת נייחת אם הפונקציות המשתנות אינן משתנות עם הזמן. גרסה אחת של המצב היציב היא שיווי משקל תרמודינמי. כל שינוי, אפילו הקטן ביותר במערכת, הוא כבר תהליך, והוא יכול להכיל בין אחד לכמה פרמטרים משתנים של מצב תרמודינמי. הרצף שבו מצבי המערכת עוברים ברציפות זה אל זה נקרא "נתיב התהליך".
למרבה הצער, עדיין יש בלבול עם המונחים, שכן אותו משתנה יכול להיות גם עצמאי וגם תוצאה של הוספת מספר פונקציות מערכת. לכן, מונחים כגון "פונקציית מצב", "פרמטר מצב", "משתנה מצב" יכולים להיחשב כמילים נרדפות.
טמפרטורה
אחד הפרמטרים הבלתי תלויים של המצב של מערכת תרמודינמית הוא הטמפרטורה. זהו ערך המאפיין את כמות האנרגיה הקינטית ליחידת חלקיקים במערכת תרמודינמית בשיווי משקל.
אם ניגשים להגדרת המושג מנקודת מבט של תרמודינמיקה, אז הטמפרטורה היא ערך ביחס הפוך לשינוי באנטרופיה לאחר הוספת חום (אנרגיה) למערכת. כאשר המערכת נמצאת בשיווי משקל, ערך הטמפרטורה זהה עבור כל ה"משתתפים" שלה. אם יש הבדל טמפרטורה, אז האנרגיה מופקת על ידי גוף חם יותר ונספגת על ידי גוף קר יותר.
ישנן מערכות תרמודינמיות שבהן כאשר מוסיפים אנרגיה, אי-סדר (אנטרופיה) לא גדל, אלא פוחת. בנוסף, אם מערכת כזו מקיימת אינטראקציה עם גוף שהטמפרטורה שלו גדולה משלה, אז היא תוותר על האנרגיה הקינטית שלה לגוף זה, ולא להיפך (מבוסס על חוקי התרמודינמיקה).
לחץ
לחץ הוא כמות המאפיינת את הכוח הפועל על גוף, בניצב לפני השטח שלו. על מנת לחשב פרמטר זה, יש צורך לחלק את כל כמות הכוח בשטח האובייקט. היחידות של כוח זה יהיו פסקל.
במקרה של פרמטרים תרמודינמיים, הגז תופס את כל הנפח העומד לרשותו, ובנוסף, המולקולות המרכיבות אותו נעות כל הזמן באקראי ומתנגשות זו בזו ובכלי שבו הן נמצאות.. השפעות אלו הן שקובעות את הלחץ של החומר על דפנות הכלי או על הגוף שמונח בגז. הכוח מתפשט באופן שווה לכל הכיוונים בדיוק בגלל הבלתי צפויתנועות מולקולריות. כדי להגביר את הלחץ, עליך להעלות את הטמפרטורה של המערכת, ולהיפך.
אנרגיה פנימית
הפרמטרים התרמודינמיים העיקריים התלויים במסה של המערכת כוללים אנרגיה פנימית. הוא מורכב מהאנרגיה הקינטית הנובעת מתנועת המולקולות של חומר, וכן מהאנרגיה הפוטנציאלית המופיעה כאשר המולקולות מקיימות אינטראקציה זו עם זו.
פרמטר זה חד משמעי. כלומר, הערך של האנרגיה הפנימית קבוע בכל פעם שהמערכת נמצאת במצב הרצוי, ללא קשר לאיזה דרך הגיעה אליה (המצב).
אי אפשר לשנות את האנרגיה הפנימית. זהו סכום החום שנותנת המערכת והעבודה שהיא מייצרת. עבור תהליכים מסוימים, נלקחים בחשבון פרמטרים אחרים, כגון טמפרטורה, אנטרופיה, לחץ, פוטנציאל ומספר המולקולות.
Entropy
החוק השני של התרמודינמיקה קובע שהאנטרופיה של מערכת מבודדת לא יורדת. ניסוח אחר מניח שאנרגיה לעולם לא עוברת מגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר לגוף חם יותר. זה, בתורו, שולל את האפשרות ליצור מכונת תנועה מתמדת, שכן אי אפשר להעביר את כל האנרגיה הזמינה לגוף לעבודה.
עצם המושג "אנטרופיה" הוכנס לשימוש באמצע המאה ה-19. אז זה נתפס כשינוי בכמות החום לטמפרטורת המערכת. אבל הגדרה זו חלה רק עלתהליכים שנמצאים כל הזמן בשיווי משקל. מכאן נוכל להסיק את המסקנה הבאה: אם טמפרטורת הגופים המרכיבים את המערכת שואפת לאפס, אז גם האנטרופיה תהיה שווה לאפס.
אנטרופיה כפרמטר תרמודינמי של מצב הגז משמשת כאינדיקציה למדד האקראיות, האקראיות של תנועת החלקיקים. הוא משמש לקביעת התפלגות מולקולות באזור מסוים ובכלי, או לחישוב הכוח האלקטרומגנטי של אינטראקציה בין יונים של חומר.
Enthalpy
אנטלפיה היא האנרגיה שניתן להמיר לחום (או עבודה) בלחץ קבוע. זהו הפוטנציאל של מערכת שנמצאת בשיווי משקל אם החוקר יודע את רמת האנטרופיה, מספר המולקולות והלחץ.
אם מצוין הפרמטר התרמודינמי של גז אידיאלי, במקום אנטלפיה, נעשה שימוש בנוסח "אנרגיה של המערכת המורחבת". כדי להקל על הסברה של ערך זה לעצמנו, נוכל לדמיין כלי מלא בגז, שנדחס באופן אחיד על ידי בוכנה (למשל, מנוע בעירה פנימית). במקרה זה, האנתלפיה תהיה שווה לא רק לאנרגיה הפנימית של החומר, אלא גם לעבודה שיש לעשות כדי להביא את המערכת למצב הנדרש. שינוי פרמטר זה תלוי רק במצב הראשוני והסופי של המערכת, ואין חשיבות לאופן קבלתו.
Gibbs Energy
פרמטרים ותהליכים תרמודינמיים, לרוב, קשורים לפוטנציאל האנרגיה של החומרים המרכיבים את המערכת. לפיכך, אנרגיית גיבס היא המקבילה לסך האנרגיה הכימית של המערכת. זה מראה אילו שינויים יתרחשו במהלך תגובות כימיות והאם חומרים יתקשרו בכלל.
שינוי כמות האנרגיה והטמפרטורה של המערכת במהלך התגובה משפיע על מושגים כמו אנטלפיה ואנטרופיה. ההבדל בין שני הפרמטרים הללו ייקרא אנרגית Gibbs או פוטנציאל איזובארי-איזותרמי.
הערך המינימלי של אנרגיה זו נצפה אם המערכת נמצאת בשיווי משקל, והלחץ, הטמפרטורה וכמות החומר שלה נשארים ללא שינוי.
Helmholtz Energy
אנרגיה של הלמהולץ (לפי מקורות אחרים - רק אנרגיה חופשית) היא כמות האנרגיה הפוטנציאלית שתאבד על ידי המערכת בעת אינטראקציה עם גופים שאינם כלולים בה.
המושג של אנרגיה חופשית של הלמהולץ משמש לעתים קרובות כדי לקבוע איזו עבודה מקסימלית יכולה לבצע מערכת, כלומר, כמה חום משתחרר כאשר חומרים משתנים ממצב אחד למשנהו.
אם המערכת נמצאת במצב של שיווי משקל תרמודינמי (כלומר, היא לא עושה שום עבודה), אז רמת האנרגיה החופשית היא במינימום. משמעות הדבר היא ששינוי פרמטרים אחרים, כגון טמפרטורה,לחץ, גם מספר החלקיקים אינו מתרחש.
