Термодинамика

Аннотированная цветная версия оригинального теплового двигателя Карно 1824 года , показывающая горячее тело (котел), рабочее тело (система, пар) и холодное тело (вода), буквы, обозначенные в соответствии с точками остановки в цикле Карно .

Жаротрубный котел в Джабалпурском инженерном колледже

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистическая Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Фаза (материя) Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Нагревать Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Термическое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Онсагер взаимные отношения Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Возможности Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии неоднородных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Другой Зарождение Самостоятельная сборка Самоорганизация Порядок и беспорядок
Категория
v т е

Термодинамика - это раздел физики , изучающий тепло , работу и температуру , а также их связь с энергией , излучением и физическими свойствами материи . Поведение этих величин регулируется четырьмя законами термодинамики, которые дают количественное описание с использованием измеримых макроскопических физических величин , но могут быть объяснены в терминах микроскопических составляющих с помощью статистической механики . Термодинамика применяется к широкому кругу вопросов науки и техники., особенно физическая химия , биохимия , химическая инженерия и машиностроение , но также и в других сложных областях, таких как метеорология .

Исторически термодинамика развивалась из желания повысить эффективность первых паровых двигателей , в частности, благодаря работам французского физика Николя Леонара Сади Карно (1824 г.), который считал, что эффективность двигателя является ключом, который может помочь Франции выиграть наполеоновские войны . ^[1] Шотландско-ирландский физик лорд Кельвин был первым, кто сформулировал краткое определение термодинамики в 1854 году ^{[2], в} котором говорилось: « Термодинамика является предметом отношения тепла к силам, действующим между смежными частями тел, и отношение тепла к электрическому агентству ".

Первоначальное применение термодинамики к механическим тепловым двигателям было быстро распространено на изучение химических соединений и химических реакций. Химическая термодинамика изучает природу роли энтропии в процессе химических реакций и дала основную часть расширений и знаний в этой области. ^{[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]} Появились и другие формулировки термодинамики. Статистическая термодинамика или статистическая механика занимается статистическимипредсказания коллективного движения частиц по их микроскопическому поведению. В 1909 году Константин Каратеодори представил чисто математический подход в аксиоматической формулировке, описание, которое часто называют геометрической термодинамикой .

Введение [ править ]

Описание любой термодинамической системы использует четыре закона термодинамики, которые образуют аксиоматическую основу. Первый закон определяет, что энергия может передаваться между физическими системами в виде тепла и работы . ^[12] Второй закон определяет существование величины, называемой энтропией , которая описывает направление, термодинамически, в котором система может развиваться, и количественно определяет состояние системы, и которое может использоваться для количественной оценки полезной работы, которая может быть извлечена. из системы. ^[13]

В термодинамике изучаются и классифицируются взаимодействия между большими ансамблями объектов. Центральное место в нем занимают концепции термодинамической системы и ее окружения . Система состоит из частиц, средние движения которых определяют ее свойства, а эти свойства, в свою очередь, связаны друг с другом посредством уравнений состояния . Свойства можно комбинировать для выражения внутренней энергии и термодинамических потенциалов , которые полезны для определения условий равновесия и самопроизвольных процессов .

С помощью этих инструментов термодинамика может использоваться для описания того, как системы реагируют на изменения в окружающей их среде. Это может быть применено к широкому кругу вопросов в науке и технике , таких как двигатели , фазовые переходы , химические реакции , явления переноса и даже черные дыры . Результаты термодинамики важны для других областей физики, а также для химии , химической инженерии , инженерии коррозии , аэрокосмической техники , машиностроения , клеточной биологии ,биомедицинская инженерия , материаловедение и экономика , и это лишь некоторые из них. ^{[14] [15]}

В этой статье основное внимание уделяется классической термодинамике, которая в первую очередь изучает системы в термодинамическом равновесии . Неравновесная термодинамика часто рассматривается как продолжение классической трактовки, но статистическая механика внесла много успехов в эту область.

История [ править ]

История термодинамики как научной дисциплины , как правило , начинается с Отто фон Герике , который в 1650 году , построен и разработан первый в мире вакуумный насос и продемонстрировал в вакуум , используя его полусферы Магдебургское . Герике был вынужден создать вакуум, чтобы опровергнуть давнее предположение Аристотеля о том, что «природа не терпит пустоты». Вскоре после Герике англо-ирландский физик и химик Роберт Бойль узнал о конструкции Герике и в 1656 году в сотрудничестве с английским ученым Робертом Гуком построил воздушный насос. ^[17] Используя этот насос, Бойл и Гук заметили корреляцию междудавление , температура и объем . Со временем был сформулирован закон Бойля , согласно которому давление и объем обратно пропорциональны . Затем, в 1679 году, основываясь на этих концепциях, сотрудник Бойля по имени Денис Папен построил паровой варочный котел , который представлял собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающей пар до тех пор, пока не создавалось высокое давление.

В более поздних конструкциях был реализован паровой выпускной клапан, который предохранял машину от взрыва. Наблюдая за тем, как клапан ритмично перемещается вверх и вниз, Папен придумал поршневой и цилиндровый двигатель. Однако он не довел до конца свой замысел. Тем не менее, в 1697 году, основываясь на проектах Папена, инженер Томас Савери построил первый двигатель, а в 1712 году - Томас Ньюкомен. Хотя эти первые двигатели были грубыми и неэффективными, они привлекли внимание ведущих ученых того времени.

Фундаментальные концепции теплоемкости и скрытой теплоты , которые были необходимы для развития термодинамики, были разработаны профессором Джозефом Блэком из Университета Глазго, где Джеймс Ватт работал изготовителем инструментов. Блэк и Ватт проводили эксперименты вместе, но именно Ватт придумал идею внешнего конденсатора, который привел к значительному повышению эффективности паровой машины . ^[18] Опираясь на все предыдущие работы, Сади Карно , «отец термодинамики», опубликовал « Размышления о движущей силе огня».(1824), дискурс о тепле, мощности, энергии и эффективности двигателя. В книге изложены основные энергетические отношения между двигателем Карно , в цикле Карно , и движущей силой . Это положило начало термодинамике как современной науке. ^[10]

Первый учебник по термодинамике был написан в 1859 году Уильямом Рэнкином , первоначально получившим образование в качестве физика и профессора гражданского строительства и машиностроения в Университете Глазго . ^[19] Первый и второй законы термодинамики возникли одновременно в 1850-х годах, главным образом из работ Уильяма Рэнкина , Рудольфа Клаузиуса и Уильяма Томсона (лорда Кельвина). Основы статистической термодинамики были заложены такими физиками, как Джеймс Клерк Максвелл , Людвиг Больцманн , Макс Планк , Рудольф Клаузиус и Дж. Уиллард Гиббс .

За годы 1873-76 американский математик и физик Гиббс опубликовал серию из трех статей, наиболее известные из которых О равновесии гетерогенных веществ , ^[3] , в которой он показал , как термодинамические процессы , в том числе химических реакций , может быть графически проанализированы , путем изучения энергии , энтропии , объем , температуру и давление в термодинамической системы таким образом, можно определить , является ли процесс будет происходить спонтанно. ^[20] Также Пьер Дюгемв 19 ​​веке писал о химической термодинамике. ^[4] В начале 20 - го века, химики , такие как Gilbert N. Lewis , Мерл Randall , ^[5] и Е. А. Guggenheim ^{[6] [7]} применили математические методы Гиббса для анализа химических процессов.

Этимология [ править ]

Этимология термодинамики имеет запутанную историю. ^[21] Впервые он был написан через дефис как прилагательное ( термодинамический ), а с 1854 по 1868 год как существительное термодинамика, чтобы представить науку об обобщенных тепловых двигателях. ^[21]

Американский биофизик Дональд Хейни утверждает, что термодинамика была изобретена в 1840 году от греческого корня θέρμη therme, что означает «тепло», и δύναμις Dynamis, что означает «сила». ^[22]

Пьер Перро утверждает, что термин термодинамика был введен Джеймсом Джоулем в 1858 году для обозначения науки о взаимоотношениях между теплотой и мощностью ^[10], однако Джоуль никогда не использовал этот термин, а вместо этого использовал термин совершенный термодинамический двигатель по отношению к теории Томсона. 1849 ^[23] фразеология. ^[21]

К 1858 году термодинамика как функциональный термин использовалась в статье Уильяма Томсона «Изложение теории движущей силы тепла Карно». ^[23]

Разделы термодинамики [ править ]

Изучение термодинамических систем развилось в несколько связанных разделов, каждая из которых использует различную фундаментальную модель в качестве теоретической или экспериментальной основы или применяет принципы к различным типам систем.

Классическая термодинамика [ править ]

Классическая термодинамика - это описание состояний термодинамических систем в состоянии, близком к равновесию, с использованием макроскопических измеримых свойств. Он используется для моделирования обмена энергией, работой и теплом на основе законов термодинамики . Классификатор классический отражает тот факт, что он представляет собой первый уровень понимания предмета в том виде, в каком он развился в 19 веке, и описывает изменения в системе с точки зрения макроскопических эмпирических (крупномасштабных и измеримых) параметров. Микроскопическая интерпретация этих представлений была позже предоставлена ​​развитием статистической механики .

Статистическая механика [ править ]

Статистическая механика , также известная как статистическая термодинамика, возникла с развитием атомных и молекулярных теорий в конце 19-го и начале 20-го веков и дополнила классическую термодинамику интерпретацией микроскопических взаимодействий между отдельными частицами или квантово-механическими состояниями. Эта область связывает микроскопические свойства отдельных атомов и молекул с макроскопическими, объемными свойствами материалов, которые можно наблюдать в человеческом масштабе, тем самым объясняя классическую термодинамику как естественный результат статистики, классической механики и квантовой теории на микроскопическом уровне.

Химическая термодинамика [ править ]

Химическая термодинамика - это изучение взаимосвязи энергии с химическими реакциями или с физическим изменением состояния в рамках законов термодинамики .

Равновесная термодинамика [ править ]

Равновесная термодинамикаэто изучение переноса материи и энергии в системах или телах, которые посредством агентов в их окружении могут быть переведены из одного состояния термодинамического равновесия в другое. Термин «термодинамическое равновесие» указывает на состояние баланса, в котором все макроскопические потоки равны нулю; в случае простейших систем или тел их интенсивные свойства однородны, а их давления перпендикулярны их границам. В состоянии равновесия нет несбалансированных потенциалов или движущих сил между макроскопически различными частями системы. Центральная цель равновесной термодинамики состоит в том, чтобы дать системе в четко определенном начальном состоянии равновесия, и учитывая ее окружение, и данные ее составляющие стенки,чтобы вычислить, каким будет окончательное состояние равновесия системы после того, как заданная термодинамическая операция изменила ее стены или окружение.

Неравновесная термодинамика - это раздел термодинамики, который имеет дело с системами, которые не находятся в термодинамическом равновесии . Большинство систем, встречающихся в природе, не находятся в термодинамическом равновесии, потому что они не находятся в стационарных состояниях и постоянно и прерывисто подвержены потоку вещества и энергии в другие системы и из них. Термодинамическое исследование неравновесных систем требует более общих концепций, чем имеет дело с равновесной термодинамикой. Многие природные системы до сих пор остаются за рамками известных в настоящее время макроскопических термодинамических методов.

Законы термодинамики [ править ]

Термодинамика в основном основана на наборе четырех законов, которые универсально применимы к системам, подпадающим под ограничения, налагаемые каждым из них. В различных теоретических описаниях термодинамики эти законы могут быть выражены в, казалось бы, различных формах, но наиболее заметными формулировками являются следующие.

Нулевой Закон [ править ]

Нулевой закон термодинамики гласит: каждый Если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей, они также находятся в тепловом равновесии друг с другом.

Из этого утверждения следует, что тепловое равновесие является отношением эквивалентности на множестве рассматриваемых термодинамических систем . Считается, что системы находятся в равновесии, если небольшие случайные обмены между ними (например, броуновское движение ) не приводят к чистому изменению энергии. Этот закон негласно предполагается при каждом измерении температуры. Таким образом, если кто-то пытается решить, имеют ли два тела одинаковую температуру , нет необходимости приводить их в контакт и измерять любые изменения их наблюдаемых свойств во времени. ^[24] Закон дает эмпирическое определение температуры и обоснование конструкции практических термометров.

Изначально нулевой закон не был признан отдельным законом термодинамики, поскольку его основа в термодинамическом равновесии была заложена в других законах. Первый, второй и третий законы уже были четко сформулированы и нашли широкое признание в физическом сообществе еще до того, как стала осознана важность нулевого закона для определения температуры. Поскольку было нецелесообразно изменять нумерацию других законов, он был назван нулевым законом .

Первый закон [ править ]

Первый закон термодинамики гласит: В процессе без переноса вещества, изменение внутренней энергии , Δ U , из термодинамической системы равна энергии , полученной в виде тепла, Q , меньше термодинамической работы, W , совершаемая системой на его окрестностях. ^{[25] [№ 1]}

${\displaystyle \Delta U=Q-W}$.

Для процессов, которые включают перенос вещества, необходимо следующее утверждение: с должным учетом соответствующих исходных исходных состояний систем, когда две системы, которые могут иметь разный химический состав, изначально разделены только непроницаемой стенкой и изолированы иным образом. , объединяются в новую систему термодинамической операцией удаления стенки, то

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

где U ₀ обозначает внутреннюю энергию объединенной системы, а U ₁ и U ₂ обозначают внутренние энергии соответствующих разделенных систем.

Этот закон, адаптированный для термодинамики, является выражением принципа сохранения энергии , который гласит, что энергия может быть преобразована (изменена из одной формы в другую), но не может быть создана или уничтожена. ^[26]

Внутренняя энергия является основным свойством термодинамического состояния , в то время как тепло и работа - это способы передачи энергии, с помощью которых процесс может изменить это состояние. Изменение внутренней энергии системы может быть достигнуто за счет любой комбинации добавленного или удаленного тепла и работы, выполняемой в системе или ею. Как функция состояния внутренняя энергия не зависит от способа или пути через промежуточные этапы, с помощью которых система достигла своего состояния.

Второй закон [ править ]

Традиционная версия второго закона термодинамики гласит: тепло не перетекает самопроизвольно от более холодного тела к более горячему.

Второй закон относится к системе материи и излучения, изначально с неоднородностями по температуре, давлению, химическому потенциалу и другим интенсивным свойствам , которые возникают из-за внутренних `` ограничений '' или непроницаемых жестких стен внутри нее или внешних сил. . Закон отмечает, что, когда система изолирована от внешнего мира и этих сил, существует определенная термодинамическая величина, ее энтропия, которая увеличивается по мере снятия ограничений, в конечном итоге достигая максимального значения при термодинамическом равновесии, когда неоднородности практически исчезают. Для систем, которые изначально далеки от термодинамического равновесия, хотя некоторые из них были предложены, не известен общий физический принцип, определяющий скорость приближения к термодинамическому равновесию, и термодинамика не занимается такими скоростями. Все многочисленные версии второго закона выражают необратимость такого подхода к термодинамическому равновесию.

В макроскопической термодинамике второй закон - это основное наблюдение, применимое к любому реальному термодинамическому процессу; в статистической термодинамике второй закон постулируется как следствие молекулярного хаоса.

Третий закон [ править ]

Третий закон термодинамики гласит: Поскольку температура системы приближается к абсолютному нулю, все процессы прекращаются , а энтропия системы приближается к минимальной стоимости.

Этот закон термодинамики является статистическим законом природы относительно энтропии и невозможности достижения абсолютного нуля температуры. Этот закон обеспечивает абсолютную точку отсчета для определения энтропии. Энтропия, определенная относительно этой точки, является абсолютной энтропией. Альтернативные определения включают «энтропия всех систем и всех состояний системы наименьшая при абсолютном нуле» или, что то же самое, «невозможно достичь абсолютного нуля температуры с помощью любого конечного числа процессов».

Абсолютный ноль, при котором вся деятельность прекратилась бы, если бы это было возможно, составляет -273,15 ° C (градусы Цельсия), или -459,67 ° F (градусы Фаренгейта), или 0 K (кельвин), или 0 ° R (градусы Ренкина). ).

Системные модели [ править ]

Важным понятием термодинамики является термодинамическая система , которая представляет собой точно определенную область исследуемой Вселенной. Все во вселенной, кроме системы, называется окружением . Система отделена от остальной Вселенной границей, которая может быть физической или условной, но служит для ограничения системы конечным объемом. Отрезки границы часто называют стенами ; у них есть соответствующие определенные «проницаемости». Передача энергии в виде работы , тепла или материимежду системой и окружающей средой проходят через стены в соответствии с их проницаемостью.

Вещество или энергия, которые проходят через границу, чтобы вызвать изменение внутренней энергии системы, должны быть учтены в уравнении баланса энергии. Объем, содержащийся в стенках, может быть областью, окружающей единственный атом, резонирующий с энергией, такой как Макс Планк, определенный в 1900 году; это может быть тело пара или воздуха в паровой машине , такой как Сади Карно определил в 1824 году. Система также могла быть всего лишь одним нуклидом (то есть системой кварков ), как предполагалось в квантовой термодинамике . Если принять более свободную точку зрения и отказаться от требования термодинамического равновесия, система может быть телом тропического циклона , такого какКерри Эмануэль предположил , в 1986 году в области атмосферной термодинамики , или горизонта событий в виде черной дыры .

Границы бывают четырех типов: фиксированные, подвижные, действительные и мнимые. Например, в двигателе фиксированная граница означает, что поршень заблокирован в своем положении, в котором может происходить процесс постоянного объема. Если поршню позволяют перемещаться, эта граница подвижна, в то время как границы цилиндра и головки цилиндра фиксированы. Для закрытых систем границы реальны, в то время как для открытых систем границы часто являются воображаемыми. В случае реактивного двигателя можно предположить фиксированную воображаемую границу на входе в двигатель, фиксированные границы вдоль поверхности корпуса и вторую фиксированную воображаемую границу поперек выпускного сопла.

Как правило, термодинамика различает три класса систем, определяемых с точки зрения того, что может пересекать их границы:

Взаимодействие термодинамических систем

Тип системы	Массовый поток	Работа	Нагревать
Открыть	Y	Y	Y
Закрыто	N	Y	Y
Термически изолированный	N	Y	N
Механически изолирован	N	N	Y
Изолированные	N	N	N

Со временем в изолированной системе внутренние перепады давлений, плотностей и температур имеют тенденцию выравниваться. Система , в которой пошли к завершению все уравнительные процессы , как говорят, в состоянии от термодинамического равновесия .

Находясь в термодинамическом равновесии, свойства системы по определению не изменяются во времени. Системы, находящиеся в равновесии, намного проще и легче понять, чем системы, которые не находятся в равновесии. Часто при анализе динамического термодинамического процесса делается упрощающее предположение, что каждое промежуточное состояние в процессе находится в равновесии, вызывая термодинамические процессы, которые развиваются так медленно, что позволяют каждому промежуточному этапу быть равновесным состоянием и называются обратимыми процессами. .

Состояния и процессы [ править ]

Когда система находится в равновесии при заданном наборе условий, говорят, что она находится в определенном термодинамическом состоянии . Состояние системы можно описать рядом величин состояния, которые не зависят от процесса, посредством которого система достигла своего состояния. Их называют интенсивными переменными или экстенсивными переменными в зависимости от того, как они меняются при изменении размера системы. Свойства системы можно описать уравнением состояния, которое определяет взаимосвязь между этими переменными. Состояние можно рассматривать как мгновенное количественное описание системы с заданным числом переменных, которые остаются постоянными.

Термодинамический процесс может быть определен как энергетическая эволюция термодинамической системы , исходя из начального состояния в конечное состояние. Его можно описать технологическими величинами . Обычно каждый термодинамический процесс отличается от других по энергетическому характеру в зависимости от того, какие параметры, такие как температура, давление или объем и т. Д., Остаются фиксированными; Кроме того, полезно сгруппировать эти процессы в пары, в которых каждая постоянная переменная является одним из членов сопряженной пары.

Несколько обычно изучаемых термодинамических процессов:

• Адиабатический процесс : происходит без потери или увеличения энергии за счет тепла.
• Изентальпический процесс : происходит при постоянной энтальпии
• Изэнтропический процесс : обратимый адиабатический процесс, происходит при постоянной энтропии.
• Изобарический процесс : происходит при постоянном давлении
• Изохорный процесс : происходит при постоянном объеме (также называется изометрическим / изоволюметрическим)
• Изотермический процесс : происходит при постоянной температуре
• Стационарный процесс : происходит без изменения внутренней энергии

Инструменты [ править ]

Есть два типа термодинамических инструментов : счетчик и резервуар . Термодинамический измеритель - это любое устройство, которое измеряет любой параметр термодинамической системы . В некоторых случаях термодинамический параметр фактически определяется в терминах идеализированного измерительного прибора. Например, нулевой закон гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с третьим телом, они также находятся в тепловом равновесии друг с другом. Этот принцип, как заметил Джеймс Максвелл в 1872 году, утверждает, что можно измерить температуру. Идеализированный термометр - это образец идеального газа при постоянном давлении. Из закона идеального газа pV = nRT , объем такой пробы можно использовать как индикатор температуры; таким образом он определяет температуру. Хотя давление определяется механически, устройство для измерения давления, называемое барометром, также может быть сконструировано из образца идеального газа, выдерживаемого при постоянной температуре. Калориметр представляет собой устройство , которое используется для измерения и определить внутреннюю энергию системы.

Термодинамический резервуар - это система, которая настолько велика, что ее параметры состояния не претерпевают существенных изменений при контакте с интересующей системой. Когда резервуар приводится в контакт с системой, система приводится в равновесие с резервуаром. Например, напорный резервуар - это система с определенным давлением, которая оказывает это давление на систему, с которой она механически связана. Атмосфера Земли часто используется как резервуар давления. Океан может выступать в качестве резервуара температуры, когда используется для охлаждения электростанций.

Сопряженные переменные [ править ]

Центральное понятие термодинамики - это энергия , способность выполнять работу . Согласно Первому закону сохраняется полная энергия системы и ее окружения. Энергия может быть передана в систему путем нагрева, сжатия или добавления вещества и извлечена из системы путем охлаждения, расширения или извлечения вещества. В механике , например, передача энергии равна произведению силы, приложенной к телу, и результирующего смещения.

Сопряженные переменные - это пары термодинамических концепций, первая из которых сродни «силе», приложенной к некоторой термодинамической системе , вторая - сродни результирующему «смещению», а произведение двух равняется количеству переданной энергии. Общие сопряженные переменные:

• Давление - объем ( механические параметры);
• Температура - энтропия (тепловые параметры);
• Химический потенциал - число частиц (параметры материала).

Возможности [ править ]

Термодинамические потенциалы - это различные количественные меры запасенной энергии в системе. Потенциалы используются для измерения изменений энергии в системах по мере их перехода от начального состояния к конечному состоянию. Используемый потенциал зависит от ограничений системы, таких как постоянная температура или давление. Например, энергии Гельмгольца и Гиббса - это энергии, доступные в системе для выполнения полезной работы, когда температура и объем или давление и температура, соответственно, фиксированы.

Пять наиболее известных потенциалов:

Имя	Символ	Формула	Естественные переменные
Внутренняя энергия	${\displaystyle U}$	${\displaystyle \int (T{\text{d}}S-p{\text{d}}V+\sum _{i}\mu _{i}{\text{d}}N_{i})}$	${\displaystyle S,V,\{N_{i}\}}$
Свободная энергия Гельмгольца	${\displaystyle F}$	${\displaystyle U-TS}$	${\displaystyle T,V,\{N_{i}\}}$
Энтальпия	${\displaystyle H}$	${\displaystyle U+pV}$	${\displaystyle S,p,\{N_{i}\}}$
Свободная энергия Гиббса	${\displaystyle G}$	${\displaystyle U+pV-TS}$	${\displaystyle T,p,\{N_{i}\}}$
Потенциал Ландау, или великий потенциал	${\displaystyle \Omega }$, ${\displaystyle \Phi _{\text{G}}}$	${\displaystyle U-TS-}$${\displaystyle \sum _{i}\,}$${\displaystyle \mu _{i}N_{i}}$	${\displaystyle T,V,\{\mu _{i}\}}$

где это температура , энтропия , давление , объем , химический потенциал , число частиц в системе, и является счетчиком типов частиц в системе.${\displaystyle T}$${\displaystyle S}$${\displaystyle p}$${\displaystyle V}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle N}$${\displaystyle i}$

Термодинамические потенциалы могут быть получены из уравнения баланса энергии, применяемого к термодинамической системе. Другие термодинамические потенциалы также могут быть получены с помощью преобразования Лежандра .

Применяемые поля [ править ]

См. Также [ править ]

• Путь термодинамического процесса

Списки и сроки [ править ]

• Список важных публикаций по термодинамике
• Список учебников по термодинамике и статистической механике
• Список теплопроводностей
• Список термодинамических свойств
• Таблица термодинамических уравнений
• Хронология термодинамики

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Гольдштейн, Мартин и Инге Ф. (1993). Холодильник и Вселенная . Издательство Гарвардского университета. ISBN 978-0-674-75325-9. OCLC  32826343 . Нетехническое введение, хорошее по историческим и интерпретационным вопросам.
• Казаков, Андрей; Музны, Крис Д .; Кирико, Роберт Д .; Дикий, Владимир В .; Френкель, Майкл (2008). "Web Thermo Tables - онлайн-версия термодинамических таблиц TRC" . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 113 (4): 209–220. DOI : 10,6028 / jres.113.016 . ISSN  1044-677X . PMC  4651616 . PMID  27096122 .
• Гиббс Дж. В. (1928). Собрание сочинений Дж. Уилларда Гиббса Термодинамика . Нью-Йорк: Longmans, Green and Co.Vol. 1. С. 55–349.
• Гуггенхайм Э.А. (1933). Современная термодинамика по методам Уилларда Гиббса . Лондон: Methuen & co. ООО
• Денби К. (1981). Принципы химического равновесия: с приложениями в химии и химической инженерии . Лондон: Издательство Кембриджского университета.
• Стулл Д.Р., Вестрам-младший, Э. Ф. и Синке, GC (1969). Химическая термодинамика органических соединений . Лондон: John Wiley and Sons, Inc.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Базаров И.П. (2010). Термодинамика: Учебник . Санкт-Петербург: Издательство "Лань". п. 384. ISBN 978-5-8114-1003-3.5-е изд. (на русском)
• Бавенди Мунги Г., Алберти Роберт А. и Силби Роберт Дж. (2004). Физическая химия . J. Wiley & Sons, Incorporated.
• Олберти Роберт А. (2003). Термодинамика биохимических реакций . Wiley-Interscience.
• Олберти Роберт А. (2006). Биохимическая термодинамика: приложения Mathematica . ISBN компании John Wiley & Sons, Inc. 978-0-471-75798-6. PMID  16878778 .
• Дилл Кен А., Бромберг Сарина (2011). Молекулярные движущие силы: статистическая термодинамика в биологии, химии, физике и нанонауке . Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-4430-8.
• М. Скотт Шелл (2015). Термодинамика и статистическая механика: комплексный подход . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1107656789.
• Дуглас Э. Баррик (2018). Биомолекулярная термодинамика: от теории к приложениям . CRC Press. ISBN 978-1-4398-0019-5.

Следующие заголовки носят более технический характер:

• Бежан, Адриан (2016). Передовая инженерная термодинамика (4-е изд.). Вайли. ISBN 978-1-119-05209-8.
• Ценгель, Юнус А., и Болес, Майкл А. (2002). Термодинамика - инженерный подход . Макгроу Хилл. ISBN 978-0-07-238332-4. OCLC  45791449 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Даннинг-Дэвис, Джереми (1997). Краткая термодинамика: принципы и приложения . Издательство Хорвуд. ISBN 978-1-8985-6315-0. OCLC  36025958 .
• Кремер, Герберт и Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика . Компания WH Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2. OCLC  32932988 .

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с термодинамикой, на Викискладе?

В Викиучебнике есть книга на тему: Инженерная термодинамика.

В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Термодинамика

• Каллендар, Хью Лонгборн (1911). «Термодинамика»  . Британская энциклопедия . 26 (11-е изд.). С. 808–814.
• Сайты по термодинамическим данным и расчетам свойств
• Образовательные сайты по термодинамике
• Биохимия Термодинамика
• Термодинамика и статистическая механика
• Инженерная термодинамика - графический подход
• Термодинамика и статистическая механика Ричарда Фицпатрика