Pikka aega oli füüsikutel ja teiste teaduste esindajatel võimalus kirjeldada, mida nad katsete käigus täheldavad. Üksmeele puudumine ja suure hulga "sinisest" võetud terminite olemasolu tekitas kolleegide seas segadust ja arusaamatusi. Aja jooksul omandas iga füüsikaharu oma väljakujunenud määratlused ja mõõtühikud. Nii ilmusid termodünaamilised parameetrid, mis selgitavad enamikku süsteemi makroskoopilistest muutustest.
Definitsioon
Olekuparameetrid ehk termodünaamilised parameetrid on hulk füüsikalisi suurusi, mis koos ja igaüks eraldi võivad vaadeldavat süsteemi iseloomustada. Need hõlmavad selliseid mõisteid nagu:
- temperatuur ja rõhk;
- kontsentratsioon, magnetinduktsioon;
- entroopia;
- entalpia;
- Gibbsi ja Helmholtzi energiad ja paljud teised.
Valige intensiivsed ja ulatuslikud parameetrid. Ulatuslikud on need, mis sõltuvad otseselt termodünaamilise süsteemi massist jaintensiivne – mis on määratud teiste kriteeriumidega. Kõik parameetrid ei ole võrdselt sõltumatud, seetõttu on süsteemi tasakaaluseisundi arvutamiseks vaja määrata mitu parameetrit korraga.
Lisaks on füüsikute vahel mõningaid terminoloogilisi lahkarvamusi. Sama füüsikalist omadust võivad erinevad autorid nimetada kas protsessiks või koordinaadiks või suuruseks või parameetriks või isegi lihts alt omaduseks. Kõik oleneb sisust, milles teadlane seda kasutab. Kuid mõnel juhul on olemas standardsed soovitused, millest dokumentide, õpikute või tellimuste koostajad peavad kinni pidama.
Klassifikatsioon
Termodünaamilistel parameetritel on mitu klassifikatsiooni. Seega on esimese lõigu põhjal juba teada, et kõik kogused saab jagada:
- ekstensiivne (lisand) - sellised ained järgivad liitmise seadust, see tähendab, et nende väärtus sõltub koostisosade arvust;
- intensiivne – need ei sõltu sellest, kui palju ainet reaktsiooni jaoks võeti, kuna need on koostoime ajal joondatud.
Süsteemi moodustavate ainete asukohatingimuste alusel saab kogused jagada faasireaktsioone ja keemilisi reaktsioone kirjeldavateks. Lisaks tuleb arvestada reaktiivide omadustega. Need võivad olla:
- termomehaaniline;
- termofüüsikaline;
- termokeemia.
Lisaks sellele täidab iga termodünaamiline süsteem teatud funktsiooni, nii et parameetrid võivadiseloomustavad reaktsiooni tulemusena tekkivat tööd või soojust ning võimaldavad ka arvutada osakeste massi ülekandmiseks vajaliku energia.
Olekumuutujad
Iga süsteemi, sealhulgas termodünaamilise süsteemi oleku saab määrata selle omaduste või karakteristikute kombinatsiooniga. Kõiki muutujaid, mis on täielikult määratud ainult teatud ajahetkel ja mis ei sõltu sellest, kuidas süsteem täpselt sellesse olekusse jõudis, nimetatakse termodünaamilisteks olekuparameetriteks (muutujateks) või olekufunktsioonideks.
Süsteem loetakse statsionaarseks, kui muutujate funktsioonid aja jooksul ei muutu. Püsiseisundi üks versioon on termodünaamiline tasakaal. Igasugune, isegi väikseim muutus süsteemis, on juba protsess ja see võib sisaldada ühest kuni mitme muutuva termodünaamilise oleku parameetrini. Jada, milles süsteemi olekud pidev alt üksteisesse lähevad, nimetatakse "protsessiteeks".
Kahjuks on endiselt segadust mõistetega, kuna sama muutuja võib olla nii sõltumatu kui ka mitme süsteemifunktsiooni lisamise tulemus. Seetõttu võib selliseid termineid nagu "olekufunktsioon", "olekuparameeter", "olekumuutuja" pidada sünonüümidena.
Temperatuur
Termodünaamilise süsteemi oleku üks sõltumatuid parameetreid on temperatuur. See on väärtus, mis iseloomustab kineetilise energia hulka osakeste ühiku kohtatermodünaamiline süsteem tasakaalus.
Kui läheneda mõiste definitsioonile termodünaamika seisukoh alt, siis temperatuur on väärtus, mis on pöördvõrdeline entroopia muutusega pärast süsteemi soojuse (energia) lisamist. Kui süsteem on tasakaalus, on temperatuuri väärtus kõigil selle "osalejatel" sama. Kui on temperatuuride erinevus, siis kuumem keha annab energiat välja ja külmem neelab.
On termodünaamilisi süsteeme, milles energia lisamisel häire (entroopia) ei suurene, vaid pigem väheneb. Lisaks, kui selline süsteem interakteerub kehaga, mille temperatuur on tema omast kõrgem, siis loovutab ta oma kineetilise energia sellele kehale, mitte vastupidi (termodünaamika seaduste alusel).
Rõhk
Rõhk on suurus, mis iseloomustab kehale selle pinnaga risti mõjuvat jõudu. Selle parameetri arvutamiseks on vaja kogu jõu suurus jagada objekti pindalaga. Selle jõu ühikud on paskalid.
Termodünaamiliste parameetrite korral hõivab gaas kogu talle saadaoleva ruumala ning lisaks liiguvad seda moodustavad molekulid pidev alt juhuslikult ning põrkuvad omavahel ja anumaga, milles nad asuvad. Just need mõjud määravad ära aine rõhu anuma seintele või gaasi asetatud kehale. Jõud levib kõigis suundades võrdselt just tänu ettearvamatulemolekulaarsed liikumised. Rõhu suurendamiseks peate tõstma süsteemi temperatuuri ja vastupidi.
Sisemine energia
Peamised termodünaamilised parameetrid, mis sõltuvad süsteemi massist, hõlmavad sisemist energiat. See koosneb aine molekulide liikumisest tulenevast kineetilisest energiast, aga ka potentsiaalsest energiast, mis ilmneb molekulide omavahelisel vastasmõjul.
See parameeter on üheselt mõistetav. See tähendab, et siseenergia väärtus on konstantne alati, kui süsteem on soovitud olekus, olenemata sellest, kuidas see (seisund) saavutati.
Siseenergiat on võimatu muuta. See on süsteemi poolt eraldatud soojuse ja selle poolt toodetud töö summa. Mõne protsessi puhul võetakse arvesse muid parameetreid, nagu temperatuur, entroopia, rõhk, potentsiaal ja molekulide arv.
Entroopia
Termodünaamika teine seadus väidab, et isoleeritud süsteemi entroopia ei vähene. Teine sõnastus postuleerib, et energia ei liigu kunagi madalama temperatuuriga kehast kuumemasse. See omakorda välistab igiliikuri loomise võimaluse, kuna kogu kehale kättesaadavat energiat on võimatu tööle üle kanda.
Entroopia mõiste võeti kasutusele 19. sajandi keskel. Siis tajuti seda soojushulga muutusena süsteemi temperatuurini. Kuid see määratlus kehtib ainultprotsessid, mis on pidev alt tasakaalus. Sellest saame teha järgmise järelduse: kui süsteemi moodustavate kehade temperatuur kaldub nulli, siis võrdub ka entroopia nulliga.
Entroopiat kui gaasi oleku termodünaamilist parameetrit kasutatakse juhuslikkuse ja osakeste liikumise juhuslikkuse mõõtmise indikaatorina. Seda kasutatakse molekulide jaotumise määramiseks teatud piirkonnas ja anumas või aine ioonide vahelise interaktsiooni elektromagnetilise jõu arvutamiseks.
Entalpia
Entalpia on energia, mida saab konstantsel rõhul muundada soojuseks (või tööks). See on tasakaalus oleva süsteemi potentsiaal, kui teadlane teab entroopiataset, molekulide arvu ja rõhku.
Kui on näidatud ideaalse gaasi termodünaamiline parameeter, kasutatakse entalpia asemel sõnastust "laiendatud süsteemi energia". Selle väärtuse enda jaoks lihtsamaks selgitamiseks võime kujutleda gaasiga täidetud anumat, mida kolb ühtlaselt kokku surub (näiteks sisepõlemismootor). Sel juhul on entalpia võrdne mitte ainult aine siseenergiaga, vaid ka tööga, mida tuleb teha süsteemi viimiseks nõutavasse olekusse. Selle parameetri muutmine sõltub ainult süsteemi alg- ja lõppolekust ning selle vastuvõtmise viis ei oma tähtsust.
Gibbs Energy
Termodünaamilised parameetrid ja protsessid on enamasti seotud süsteemi moodustavate ainete energiapotentsiaaliga. Seega on Gibbsi energia samaväärne süsteemi keemilise koguenergiaga. See näitab, millised muutused toimuvad keemiliste reaktsioonide käigus ja kas ained üldse interakteeruvad.
Süsteemi energiahulga ja temperatuuri muutumine reaktsiooni käigus mõjutab selliseid mõisteid nagu entalpia ja entroopia. Nende kahe parameetri erinevust nimetatakse Gibbsi energiaks või isobaar-isotermiliseks potentsiaaliks.
Selle energia miinimumväärtust täheldatakse, kui süsteem on tasakaalus ning selle rõhk, temperatuur ja aine hulk jäävad muutumatuks.
Helmholtz Energy
Helmholtzi energia (teiste allikate järgi - lihts alt vaba energia) on potentsiaalne energiahulk, mille süsteem kaotab, kui ta suhtleb kehadega, mis sellesse ei kuulu.
Helmholtzi vaba energia kontseptsiooni kasutatakse sageli selleks, et määrata, millist maksimaalset tööd süsteem suudab teha, st kui palju soojust vabaneb ainete muutumisel ühest olekust teise.
Kui süsteem on termodünaamilises tasakaalus (st ei tee tööd), siis on vaba energia tase minimaalne. See tähendab, et muude parameetrite, näiteks temperatuuri, muutminerõhul ei esine ka osakeste arvu.
