برای مدت طولانی، فیزیکدانان و نمایندگان سایر علوم راهی برای توصیف آنچه در طول آزمایشات خود مشاهده می کنند داشتند. عدم اجماع و وجود تعداد زیادی از اصطلاحات "خارج از آب" منجر به سردرگمی و سوء تفاهم در بین همکاران شد. با گذشت زمان، هر شاخه از فیزیک تعاریف و واحدهای اندازه گیری ثابت خود را به دست آورد. اینگونه بود که پارامترهای ترمودینامیکی ظاهر شدند و بیشتر تغییرات ماکروسکوپی سیستم را توضیح دادند.
تعریف
پارامترهای حالت یا پارامترهای ترمودینامیکی تعدادی کمیت فیزیکی هستند که با هم و هر کدام به طور جداگانه می توانند سیستم مشاهده شده را مشخص کنند. اینها شامل مفاهیمی مانند:
- دما و فشار؛
- غلظت، القای مغناطیسی؛
- آنتروپی;
- آنتالپی؛
- انرژی های گیبس و هلمهولتز و بسیاری دیگر.
پارامترهای فشرده و گسترده را انتخاب کنید. گسترده آنهایی هستند که مستقیماً به جرم سیستم ترمودینامیکی وابسته هستند وفشرده - که با معیارهای دیگر تعیین می شوند. همه پارامترها به یک اندازه مستقل نیستند، بنابراین، برای محاسبه وضعیت تعادل سیستم، لازم است چندین پارامتر به طور همزمان تعیین شود.
علاوه بر این، برخی اختلاف نظرهای اصطلاحی بین فیزیکدانان وجود دارد. مشخصه فیزیکی یکسان را می‌توان توسط نویسندگان مختلف یک فرآیند، یا مختصات، یا یک کمیت، یا یک پارامتر یا حتی فقط یک ویژگی نامید. همه چیز بستگی به محتوایی دارد که دانشمند از آن استفاده می کند. اما در برخی موارد، توصیه‌های استانداردی وجود دارد که تهیه‌کنندگان اسناد، کتاب‌های درسی یا سفارش‌ها باید به آنها پایبند باشند.
طبقه بندی
طبقه بندی های مختلفی از پارامترهای ترمودینامیکی وجود دارد. بنابراین، بر اساس پاراگراف اول، از قبل مشخص شده است که همه مقادیر را می توان به:تقسیم کرد
- گسترده (افزودنی) - چنین موادی از قانون اضافه پیروی می کنند، یعنی ارزش آنها به تعداد مواد بستگی دارد؛
- شدید - آنها به مقدار ماده ای که برای واکنش مصرف شده است بستگی ندارند، زیرا در طول تعامل در یک راستا قرار دارند.
بر اساس شرایطی که مواد تشکیل دهنده سیستم تحت آن قرار دارند، مقادیر را می توان به مقادیری تقسیم کرد که واکنش های فازی و واکنش های شیمیایی را توصیف می کنند. علاوه بر این، ویژگی های واکنش دهنده ها باید در نظر گرفته شود. آنها می توانند: باشند
- ترمومکانیکی;
- ترموفیزیکال;
- ترموشیمیایی.
علاوه بر این، هر سیستم ترمودینامیکی عملکرد خاصی را انجام می دهد، بنابراین پارامترها می توانندکار یا گرمای تولید شده در نتیجه واکنش را مشخص کنید و همچنین به شما امکان می دهد انرژی لازم برای انتقال جرم ذرات را محاسبه کنید.
متغیرهای حالت
وضعیت هر سیستم، از جمله ترمودینامیکی، را می توان با ترکیبی از خواص یا ویژگی های آن تعیین کرد. همه متغیرهایی که به طور کامل فقط در یک لحظه خاص در زمان تعیین می شوند و به نحوه دقیق رسیدن سیستم به این حالت بستگی ندارند، پارامترهای حالت ترمودینامیکی (متغیرها) یا توابع حالت نامیده می شوند.
اگر توابع متغیر در طول زمان تغییر نکنند، سیستم ثابت در نظر گرفته می شود. یک نسخه از حالت پایدار، تعادل ترمودینامیکی است. هر، حتی کوچکترین تغییر در سیستم، در حال حاضر یک فرآیند است، و می تواند از یک تا چندین پارامتر حالت ترمودینامیکی متغیر داشته باشد. دنباله ای که در آن حالت های سیستم به طور مداوم به یکدیگر منتقل می شوند، "مسیر فرآیند" نامیده می شود.
متاسفانه، هنوز با اصطلاحات سردرگمی وجود دارد، زیرا یک متغیر می تواند هم مستقل باشد و هم نتیجه اضافه کردن چندین تابع سیستم باشد. بنابراین، اصطلاحاتی مانند "عملکرد وضعیت"، "پارامتر وضعیت"، "متغیر حالت" را می توان مترادف یکدیگر در نظر گرفت.
دما
یکی از پارامترهای مستقل وضعیت یک سیستم ترمودینامیکی دما است. این مقداری است که مقدار انرژی جنبشی در واحد ذرات را مشخص می کندسیستم ترمودینامیکی در حالت تعادل.
اگر از دیدگاه ترمودینامیک به تعریف مفهوم نزدیک شویم، آنگاه دما مقداری است که نسبت معکوس با تغییر آنتروپی پس از افزودن گرما (انرژی) به سیستم دارد. هنگامی که سیستم در تعادل است، مقدار دما برای همه "شرکت کنندگان" آن یکسان است. اگر اختلاف دما وجود داشته باشد، انرژی توسط جسم گرمتر منتشر می شود و توسط جسم سردتر جذب می شود.
سیستم های ترمودینامیکی وجود دارند که در آنها با اضافه شدن انرژی، بی نظمی (آنتروپی) افزایش نمی یابد، بلکه کاهش می یابد. بعلاوه، اگر چنین سیستمی با جسمی که دمای آن بیشتر از بدن خودش است برهم کنش داشته باشد، انرژی جنبشی خود را به این جسم می دهد و نه برعکس (بر اساس قوانین ترمودینامیک).
فشار
فشار کمیتی است که نیروی وارد بر جسم را عمود بر سطح آن مشخص می کند. برای محاسبه این پارامتر، باید کل مقدار نیرو را بر مساحت جسم تقسیم کرد. واحدهای این نیرو پاسکال خواهند بود.
در مورد پارامترهای ترمودینامیکی، گاز کل حجم موجود را اشغال می کند و علاوه بر این، مولکول های سازنده آن دائماً به طور تصادفی حرکت می کنند و با یکدیگر و با ظرفی که در آن قرار دارند برخورد می کنند.. این ضربه ها هستند که فشار ماده را بر روی دیواره رگ یا بدنی که در گاز قرار می گیرد تعیین می کند. نیرو دقیقاً به دلیل غیرقابل پیش بینی بودن در همه جهات به طور مساوی منتشر می شودحرکات مولکولی برای افزایش فشار باید دمای سیستم را افزایش دهید و بالعکس.
انرژی داخلی
پارامترهای اصلی ترمودینامیکی که به جرم سیستم بستگی دارد شامل انرژی داخلی است. این شامل انرژی جنبشی ناشی از حرکت مولکول های یک ماده و همچنین انرژی پتانسیلی است که هنگام برهم کنش مولکول ها با یکدیگر ظاهر می شود.
این پارامتر بدون ابهام است. یعنی مقدار انرژی درونی هر زمان که سیستم در حالت مطلوب باشد، بدون توجه به اینکه از کدام راه (حالت) رسیده است، ثابت است.
تغییر انرژی درونی غیرممکن است. مجموع گرمایی است که توسط سیستم و کاری که تولید می کند. برای برخی از فرآیندها، پارامترهای دیگری مانند دما، آنتروپی، فشار، پتانسیل و تعداد مولکول‌ها در نظر گرفته می‌شوند.
آنتروپی
قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که آنتروپی یک سیستم ایزوله کاهش نمی یابد. فرمول دیگری چنین فرض می کند که انرژی هرگز از جسمی با دمای پایین تر به جسم گرمتر منتقل نمی شود. این به نوبه خود امکان ایجاد یک ماشین حرکت دائمی را رد می کند، زیرا انتقال تمام انرژی موجود به بدن به کار غیرممکن است.
مفهوم "آنتروپی" در اواسط قرن نوزدهم مورد استفاده قرار گرفت. سپس به عنوان تغییر در مقدار گرما به دمای سیستم درک شد. اما این تعریف فقط برایفرآیندهایی که دائماً در تعادل هستند. از این نتیجه می‌توان به این نتیجه رسید: اگر دمای اجسامی که سیستم را تشکیل می‌دهند به صفر گرایش داشته باشد، آنتروپی نیز برابر با صفر خواهد بود.
آنتروپی به عنوان یک پارامتر ترمودینامیکی حالت گاز به عنوان نشانه ای از اندازه گیری تصادفی بودن، تصادفی بودن حرکت ذرات استفاده می شود. برای تعیین توزیع مولکول ها در یک منطقه و ظرف خاص یا برای محاسبه نیروی الکترومغناطیسی برهمکنش بین یون های یک ماده استفاده می شود.
آنتالپی
آنتالپی انرژی است که می تواند در فشار ثابت به گرما (یا کار) تبدیل شود. اگر محقق سطح آنتروپی، تعداد مولکول ها و فشار را بداند، این پتانسیل سیستمی است که در تعادل است.
اگر پارامتر ترمودینامیکی یک گاز ایده آل نشان داده شود، به جای آنتالپی، از عبارت "انرژی سیستم توسعه یافته" استفاده می شود. برای اینکه بتوانیم این مقدار را برای خودمان ساده تر توضیح دهیم، می توانیم ظرفی پر از گاز را تصور کنیم که به طور یکنواخت توسط یک پیستون فشرده می شود (مثلاً یک موتور احتراق داخلی). در این صورت، آنتالپی نه تنها برابر با انرژی داخلی ماده، بلکه با کاری که باید انجام شود تا سیستم را به حالت مورد نیاز برساند، خواهد بود. تغییر این پارامتر فقط به حالت اولیه و نهایی سیستم بستگی دارد و نحوه دریافت آن اهمیتی ندارد.
Gibbs Energy
پارامترها و فرآیندهای ترمودینامیکی، در بیشتر موارد، با پتانسیل انرژی مواد تشکیل دهنده سیستم مرتبط هستند. بنابراین، انرژی گیبس معادل کل انرژی شیمیایی سیستم است. این نشان می‌دهد که در جریان واکنش‌های شیمیایی چه تغییراتی رخ خواهد داد و آیا اصلاً مواد برهمکنش خواهند داشت.
تغییر مقدار انرژی و دمای سیستم در طول واکنش بر مفاهیمی مانند آنتالپی و آنتروپی تأثیر می گذارد. تفاوت بین این دو پارامتر انرژی گیبس یا پتانسیل همدمائی همسانی نامیده می شود.
حداقل مقدار این انرژی در صورتی مشاهده می شود که سیستم در حالت تعادل باشد و فشار، دما و مقدار ماده آن بدون تغییر باقی بماند.
هلمهولتز انرژی
انرژی هلمهولتز (طبق منابع دیگر - فقط انرژی آزاد) مقدار بالقوه ای از انرژی است که توسط سیستم در تعامل با اجسامی که در آن نیستند از دست می رود.
مفهوم انرژی آزاد هلمهولتز اغلب برای تعیین حداکثر کاری که یک سیستم می تواند انجام دهد استفاده می شود، یعنی اینکه وقتی مواد از یک حالت به حالت دیگر تغییر می کنند چه مقدار گرما آزاد می شود.
اگر سیستم در حالت تعادل ترمودینامیکی باشد (یعنی هیچ کاری انجام ندهد)، سطح انرژی آزاد در حداقل است. این بدان معناست که تغییر سایر پارامترها مانند دما،فشار، تعداد ذرات نیز رخ نمی دهد.
