Termodinamika

Carnotovtoplinski strojprenosienergijuiz toplijeg (ogrjevnog) spremnikatemperatureT_Hu hladniji (rashladni) spremnik temperatureT_C,te pritom dio tetoplinske energije(topline) pretvara umehanički radW.

Sunčeva svjetlostsvijetli krozoblake.

Temperaturaidealnog plinaje mjera prosječnekinetičke energijemolekula.

Premda jeperpetuum mobileproglašen kao nerješivim, pokušaji da se ostvari nisu prestali.

Jedan od pokušaja da se ostvariperpetuum mobile.

Apsolutna nulaiznosi −273,15°Cili 0K.

Glavni dijelovigeneratora pareiliparnog kotlakoji koristiugljenkaogorivo.

p-v (tlak-obujam) dijagram za idealniDieselov kružni proces.Proces prati brojeve od 1 do 4 u smjeru kazaljke na satu.

Boyle-Mariotteov zakon.

Ogrjevna vrijednostje svojstvena za svakukemijsku tvar.

Termodinamikailiznanost o toplinije granafizikekoja proučava izmjenutoplineimehaničkoga radaizmeđusustavaiokoline,te druge zakonitosti pretvorbe i prijenosaenergije,posebno uplinovima.Osnivačem moderne termodinamike smatra seN. L. S. Carnot,koji je u svojemesejuRazmišljanja o pokretačkoj moći vatre(fran.Réflexions sur la puissance motrice du feu,1824.) dao načela rada idealnogatoplinskoga stroja.Eksperimentalne osnove termodinamike postavio jeJ. P. Jouleu nizupokusa(od 1840. do 1843.), koji su nedvojbeno dokazali da se prijelaz rada u toplinu odvija uvijek po istimkvantitativnimzakonima.

Mnoge pojave, pa i sami termodinamički zakoni, koji su izvedeni na temelju iskustvenih podataka, objašnjeni su tek upotrebom metodastatističke fizike(Ludwig Boltzmann). Odstupanje rezultata klasične statističke fizike od rezultata pokusa dovelo je do razvojakvantne mehanike.

Termodinamika proučavaenergiju,rad,toplinu,entropiju,entalpijui spontanost procesa (Gibbsovu energiju). Termodinamika proučava veze izmeđutoplinske energijei ostalih oblika energije koje se u tvarima izmjenjuju u uvjetima ravnoteže. Naime, gotovo svaki oblik energije u svojoj pretvorbi prelazi na kraju u energiju toplinskog kretanja. Tako na primjertrenje,električna energija,energija kemijske reakcije,svjetlosna energijai druge pretvorbama prelaze u toplinu.

Pojam topline i temperature

Ako stavimo ruku u posudu s vrućom vodom i držimo je nekoliko sekundi, a zatim je stavimo u posudu s toplom vodom, učinit će nam se kao da je tavodahladna. Stavimo li ruku u hladnu vodu i držimo li je nekoliko sekundi, a onda je uronimo u onu toplu vodu, imat ćemo osjet kao da smo je stavili u vruću vodu. Odatle vidimo dačovječji osjetnije mjerodavan za prosuđivanje stanja nekogafizikalnog tijela,to jest njegove temperature.

Toplina itemperaturanisu jedno te isto. To najbolje možemo uočiti iz jednog primjera. U dvije po veličini različite prostorije ložimopećiste veličine tako da trošimo istu količinugorivana sat; vidjet ćemo da će temperatureprostorijabiti različite. Veća prostorija imat će manju temperaturu, a manja veću, iako je svaka prostorija, to jestzraku prostoriji, primio istu količinu toplineizgaranjemjednake količine goriva. Dva fizikalna tijela mogu imati istu količinu topline, a različitu temperaturu. Da bi veća prostorija imala istu temperaturu kao manja, morali bismo većoj dati veću količinu topline, to jest morali bismo potrošiti veću količinu goriva. Odatle vidimo da dva fizikalna tijela mogu imati istu temperaturu, ali različitu količinu topline.

Na pitanje što je toplina odgovaramolekularno-kinetička teorija topline.Molekuleu tijelima ne miruju, nego se nalaze u stalnomgibanju,čijabrzinamože biti veća ili manja.Bušenjem,glodanjem,tokarenjemirezanjempomoćualatnih strojeva,kao i kod svakeobrade materijalaalatom,stvara se toplina. Toplina nastaje na osnovu utrošenogmehaničkog rada,a i na računkinetičke energije.Udaromčekića,koji ima kinetičku energiju, onakovanjstvara se toplina. Tu se kinetička energija ne pretvara samo u toplinu nego i uenergiju zvukai u mehanički rad potreban zadeformacijutijela. Prisudarudvaju tijela prenosi se gibanje, to jest kinetička energija s jednog tijela na drugo. To ne vrijedi samo za velika tijela nego i za sitne čestice, to jest molekule. Kinetička energija čekića pretvara se u kinetičku energiju molekula, to jest u njihovo nevidljivogibanje.Toplina je, dakle, kinetička energija molekularnog gibanja.

Što tijelo višegrijemo,molekule se sve brže gibaju i imaju sve veću kinetičku energiju. Zbog toga se molekule međusobno udaljavaju, pa kruto tijelo taljenjem prelazi u tekućeagregatno stanje.Tekuće tijelozagrijavanjem prelazi uplinovitoagregatno stanje. Molekule vode daljim zagrijavanjem kodvrelištaodlaze u zrak.Vodaprelazi uvodenu paru.Paraima toliku kinetičku energiju da tjeraparni stroj.Koliki je stupanj toga molekularnog gibanja, kazuje temperatura. Temperatura je, dakle, stupanj toplinskog stanja tijela i o njoj ovisi agregatno stanje tijela.

Onaj dio nauke o toplini koji se bavi toplinom kao jednim oblikom energije i proučava pretvaranje toplinske energije u mehaničku radnju zove se termodinamika. Budući da je to pretvaranje naročito važno kod plinova, to se termodinamika bavi u prvom redu toplinskim promjenama kod plinova.

Zakoni termodinamike

Nulti zakon termodinamike (definicija temperature)

Podrobniji članak o temi:Nulti zakon termodinamike

Nulti zakon termodinamikeodređuje (definira)temperaturukao funkciju stanjasustava.Ako su dva sustava u ravnoteži s trećim, onda su i međusobno u ravnoteži. Temperatura sustava koji nije u ravnoteži nije određena. Na temelju 1. i 2. zakona termodinamike može se odrediti je li temperatura viša ili niža, ali joj je vrijednost moguće odrediti samo usporedbom u ravnotežnom stanju. Taj zakon izriče i uvjet ravnoteže dvaju sustava: u ravnoteži njihove su temperature jednake bez obzira na ukupnu količinuunutarnje energije(topline) u svakome od njih.

Prvi zakon termodinamike – zakon o očuvanju energije

Podrobniji članak o temi:Prvi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike izveo jeH. L. F. von Helmholtz(1847.) na temelju Jouleovih i Carnotovih radova. Prema tom je zakonu zbroj količina topline i mehaničkoga rada u zatvorenom sustavu stalan:

$\mathrm {d} Q=\mathrm {d} U+p\cdot \mathrm {d} V$

količina topline dQpredana nekomu sustavu troši se samo na povećanje njegove unutarnje energijeU(zagrijavanje) i na svladavanje vanjskogatlakap,a tlak se protivi povećanju obujma (volumena) sustavaV.Prvi zakon termodinamike može se poopćiti uzakon očuvanja energije,prema kojem je u svakom zatvorenom sustavu zbroj svih oblika energije, uključujući imateriju,stalan. Drugim riječima to se može iskazati kao:

"Energija zatvorenog sustava ne može nestati niti ni iz čega nastati, energija može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi, i ona je konstantna."

Drugi zakon termodinamike

Podrobniji članak o temi:Drugi zakon termodinamike

Drugi zakon termodinamikeupućuje na smjer u kojem se odvija pretvorba toplinske energije u mehaničku. Do toga je zakona došao većCarnot1824. On je proučavao idealne uvjete prelaska topline u rad i zaključio da su za prelazak topline u rad potrebna dva spremnika topline na različitoj temperaturi; prelaskom topline iz toplijega spremnika u hladniji samo se dio topline pretvara u rad, a ostatak topline prelazi u spremnik niže temperature (degradacija). Prema Carnotu, maksimalnadjelotvornostηidealnogatoplinskoga stroja,kojikružnim procesompretvara toplinu u rad, iznosi:

$\eta ={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}}}$

gdje su:T₁iT₂temperature toplijega i hladnijega spremnika;Q₁jetoplinakoja pri prelasku stoji na raspolaganju, aQ₂dio topline koji se degradira. Bit je drugoga zakona termodinamike da se pri prelasku topline u rad dio topline uvijek gubi ili degradira (degradacija). Matematički izraz drugoga zakona termodinamike iskazuje se s pomoćuentropije.Za sustav temperatureT,u kojem se nalazi ukupna količina toplineQ,entropijaSizražava se kao:

$S={\frac {Q}{T}}$

Iz toga slijedi da je entropija sustava to veća što mu je, uz danu količinu topline u sustavu,temperaturaniža. Kako se pri svakom prelasku topline u rad dio topline prelazi u spremnik niže temperature, ukupna se entropija sustava povećava. Poopćenjem drugoga zakona može se reći da se entropija zatvorenoga sustava povećava pri svakom procesu.

Prva dva zakona termodinamike mogu se formulirati i kao nemogućnost perpetuuma mobile 1. i 2. vrste:perpetuum mobile1. vrste bio bistrojkoji bi radio bez ulaganjaenergije,a perpetuum mobile 2. vrste bio bi stroj koji bi toplinu iz jednoga spremnika izravno i bez posrednika pretvarao u rad. Neostvarivost perpetuuma mobile obiju vrstaeksperimentalnije dokaz za prvi i drugi zakon termodinamike.

Treći zakon termodinamike

Podrobniji članak o temi:Treći zakon termodinamike

Treći zakon termodinamikepostavka je prema kojoj jeentropijasustava priapsolutnoj nulitemperature jednaka nuli, ako se sustav nalazi u svojem najnižem energetskom stanju. Taj zakon, što ga je postavioW. H. Nernst,nije strogo termodinamičko načelo, jer pretpostavlja poznavanje detaljne strukture sustava, osobito spektra energetskih stanja. Načelo se na primjer primjenjuje ufizikalnoj kemijipri računanju konstantâ ravnoteža sustava dobivenih iz čisto toplinskihmjerenja,a uveden je kao ishodište ljestvice za određivanje entropije. Tek s razvojemstatističke fizikei određivanjem entropije kao negativnogalogaritmavjerojatnostistanja načelo postaje nužno.

Osnovni pojmovi

Termodinamički sustav

Podrobniji članak o temi:Termodinamički sustav

Termodinamički sustavje fizikalni sustav u kojem nastaju međusobne pretvorbe topline i drugih oblika energije, te time izazvane promjene ovisne o promjenama temperature. Teorijski se razlikuju:

• izolirani termodinamički sustav, u kojem zatvorena tvar nema mogućnost izmjene nitvarini energije s okolinom,
• zatvoreni termodinamički sustav, u kojem je moguća samo izmjena energije s okolinom, pa s time i promjenevolumena,tlakaitemperature,ali je količina tvari nepromjenljiva, te
• otvoreni termodinamički sustav, u kojem je moguća izmjena tvari i energije s okolinom.

U praksi ne postoje u potpunosti prva dva tipa sustava nego se oni opisuju većim ili manjim približenjem (aproksimacijom). Tako se stanje uparnom kotlumože opisati kao zatvoreni sustav ako je dotok topline jednak gubitcima, pa unutar kotla postoji stalna temperatura, tlak i količina pare. Zakonitostima promjena unutar termodinamičkoga sustava bavi se termodinamika.

Termodinamički proces

Podrobniji članak o temi:Termodinamički proces

Termodinamički procesjeprocespromjene stanja nekog termodinamičkog sustava opisan s pomoću makroskopskih veličina (temperatura, tlak, toplina, volumen), na primjeradijabatski proces,izoprocesi (izotermni,izobarni,izohorni,izentropni).

Termodinamički sereverzibilni proces(povratni proces) zbiva kada termodinamički sustav od početnoga do konačnoga stanja sporo prolazi kroz više ravnotežnih stanja, a može se odvijati i u suprotnom smjeru. Termodinamičkiireverzibilni proces(nepovratni proces) zbiva se kada termodinamički sustav od početnoga do konačnoga stanja brzo prolazi kroz više neravnotežnih stanja i ne može se odvijati u suprotnom smjeru. Rad termodinamičkoga sustava ovisi o vrsti termodinamičkoga procesa kojim je sustav iz početnoga došao u konačno stanje.

Kružni termodinamički procesje proces kojim se termodinamički sustav nakon više stanja dovodi u početno stanje, na primjerCarnotov kružni proces(dva izotermna i dva adijabatska procesa),Dieselov kružni proces(izobarni, izentropni, izohoni i izentropni proces).

Izoprocesi

Podrobniji članak o temi:Izoprocesi

Izoprocesisu termodinamički procesi u kojima sekoličina tvarii jedna od veličina stanja sustava ne mijenjaju:

• izobarni proces (izobare) zbiva se pri stalnometlaku,dok sevolumenmijenja razmjerno stemperaturom;
• izohorni proces (izohore) zbiva se pri stalnom volumenu, dok se tlak mijenja razmjerno s temperaturom;
• izotermni proces(izoterma) zbiva se pri stalnoj temperaturi, dok se tlak mijenja obrnuto razmjerno s volumenom (na primjerBoyle-Mariotteov zakon);
• izentropni proces zbiva se pri stalnojentropiji,na primjeradijabatski proces.

Stacionarno stanje

Podrobniji članak o temi:Stacionarno stanje

Stacionarno stanjeje stanjesustavapri kojem se njegovi makroskopski čimbenici (parametri) ne mijenjaju ili u koje se sustavperiodičkivraća. Iz stacionarnoga stanja sustav može pokrenuti samo djelovanje vanjskesile.Modernafizika(kvantna mehanika) proširila je pojam stacionarnoga stanja u tom smislu da stacionarno stanje ne mora biti najnižeenergetskostanje čestice, nego sečesticamože nalaziti konačno mnogovremenasamo u određenim stacionarnim stanjima, pravilno raspoređenima po energiji. Prijelaz između dvaju stacionarnih stanja moguć je samo uz emisiju, odnosnoapsorpcijuenergije.

Kemijska termodinamika

Podrobniji članak o temi:Kemijska termodinamika

Kemijska termodinamikaje grana termodinamike koja se bavi energijskim pretvorbama (transformacijama) tijekomkemijskih reakcija.Njezin je primarni cilj da na temelju energijskih promjena odredi uvjete koji određuju smjer spontane kemijske reakcije i njezin doseg, jer pretvorba (konverzija) reaktanata u produkte najčešće nije potpuna, pa kemijske reakcije napreduju samo do kemijske ravnoteže, to jest do stupnja u kojem se omjerkoncentracijareaktanata i produkata više ne mijenja. Da bi se opisalo stanje sustava, promjene stanja i uvjeti pri kojima proces nastaje, primjenjuju se zakoni termodinamike. Promjena unutarnje energije sustava funkcija je topline i rada. U sustavu u kojem nastaje neka promjena, a volumen se sustava pritom ne mijenja, nastala toplina jednaka je promjeni unutarnje energije, dok se toplina nastala u sustavu tijekom promjene pri konstantnom tlaku određuje kao promjenaentalpije,a jednaka je razlici entalpije konačnog i početnoga stanja. Sve spontane promjene u izoliranom sustavu dovode do porasta entropije sustava, koju je također moguće izračunati kao razliku entropije konačnog i početnoga stanja.

Vanjske poveznice

• Web courseware Povijest fizike Arhivirana inačica izvorne straniceod 2. kolovoza 2012. (Wayback Machine)