Lestudi de la termodinàmica és la branca de la física que estudia i descriu les transformacions termodinàmiques induïdes per la calor i el treball en un sistema termodinàmic. Aquestes transformacions són el resultat de processos que impliquen canvis a les variables d'estat de temperatura i energia a nivell macrosòpic.
La termodinàmica clàssica es basa en el concepte de sistema macroscòpic, és a dir, una porció de massa física o conceptualment separada de lentorn extern, que sovint se suposa per comoditat que no es veu pertorbada per lintercanvi denergia amb el sistema.
L'estat d'un sistema macroscòpic que està en condicions d'equilibri s'especifica mitjançant quantitats anomenades variables termodinàmiques o funcions d'estat com temperatura, pressió, volum i composició química. Les principals notacions en termodinàmica química han estat establertes per la unió internacional de química pura i aplicada.
Tot i això, hi ha una branca de la termodinàmica, anomenada termodinàmica del no equilibri que estudia els processos termodinàmics caracteritzats per la incapacitat d'aconseguir condicions d'equilibri estables.
Què estudia la termodinàmica clàssica?
La termodinàmica clàssica se centra en l'estudi dels sistemes macroscòpics en equilibri, utilitzant propietats mesurables i observables. Aquesta branca es basa en principis fonamentals com la conservació de lenergia i les lleis que governen les transformacions tèrmiques. ( Gealat )
A més de la termodinàmica clàssica, hi ha altres branques que complementen el seu estudi:
- Física estadística : Relaciona les propietats microscòpiques de les partícules (àtoms i molècules) amb les propietats macroscòpiques observables, proporcionant una interpretació a nivell microscòpic dels conceptes termodinàmics.
- Termodinàmica química : Aplica els principis de la termodinàmica a l'estudi de les reaccions químiques i els canvis de fase, analitzant com l'energia i l'entropia influeixen en la direcció i l'equilibri dels processos químics.
- Termodinàmica de l'equilibri : S'enfoca als sistemes que assoleixen un estat d'equilibri termodinàmic, analitzant les condicions sota les quals ocorren les transferències de matèria i energia en aquests sistemes.
- Termodinàmica de no equilibri : Estudia els sistemes que no estan en equilibri termodinàmic, abordant els processos irreversibles i les fluctuacions que ocorren fora de l'equilibri.
Lleis de la termodinàmica clàssica
Els principis de la termodinàmica es van enunciar durant el segle XIX i en regulen les transformacions termodinàmiques, el progrés, els límits. Són axiomes reals, no provats i indemostrables, basats en lexperiència, en els quals es basa tota la teoria de la termodinàmica.
Podem distingir tres principis bàsics, més un principi “zero” que defineix la temperatura i que està implícit en els altres tres.
Llei zero de la termodinàmica
Quan dos sistemes que interactuen estan en equilibri tèrmic, comparteixen algunes propietats, que es poden mesurar, cosa que els dóna un valor numèric precís. Com a resultat, quan dos sistemes estan en equilibri tèrmic amb un tercer, estan en equilibri entre ells i la propietat compartida és la temperatura.
El principi zero de la termodinàmica simplement diu que, si un cos “A” està en equilibri tèrmic amb un cos “B” i “B” està en equilibri tèrmic amb un cos “C”, aleshores “A” i “C” estan en equilibri tèrmic equilibri entre ells.
Aquest principi explica el fet que dos cossos a diferents temperatures, entre els quals s'intercanvia calor (fins i tot si aquest concepte no és present al principi zero) acaben aconseguint la mateixa temperatura.
Primera llei de la termodinàmica
La primera llei de la termodinàmica clàssica, també coneguda com el principi de conservació de lenergia, estableix que lenergia total dun sistema aïllat es conserva. En altres paraules, l'energia no pot ser creada ni destruïda, només es pot transformar d'una manera a una altra.
La formulació matemàtica de la primera llei de la termodinàmica és:
\[\Delta U = Q - W\]
on ΔU representa la variació de l'energia interna del sistema, Q és la calor transferida al sistema des de l'entorn i W és la feina feta pel sistema a l'entorn.
Aquesta equació indica que qualsevol canvi en lenergia interna dun sistema es deu a la transferència de calor i al treball realitzat. Si Q és positiu, vol dir que s'està subministrant calor al sistema, mentre que si és negatiu, el sistema està alliberant calor a l'entorn. De manera similar, si W és positiu, indica que el sistema fa treball sobre l'entorn, i si és negatiu, l'entorn fa treball sobre el sistema.
Segona llei de la termodinàmica
Hi ha diverses declaracions del segon principi, totes equivalents, i cadascuna de les formulacions emfatitza un aspecte particular. Estableix que "és impossible realitzar una màquina cíclica que té com a únic resultat la transferència de calor d'un cos fred a un càlid" (declaració de Clausius) o, de manera equivalent, que "és impossible dur a terme una transformació el resultat de la qual és només la de converteixi la calor extreta d'una sola font en treball mecànic" (declaració de.
Aquesta darrera limitació nega la possibilitat de fer l'anomenat moviment perpetu de la segona espècie. L'entropia el total d'un sistema aïllat roman sense canvis quan té lloc una transformació reversible i augmenta quan té lloc una transformació irreversible.
Tercera llei de la termodinàmica
La tercera llei de la termodinàmica clàssica estableix que és impossible assolir el zero absolut (0 Kelvin) mitjançant un nombre finit de transformacions termodinàmiques. Aquesta llei va ser formulada per Walther Nernst el 1906.
En termes més precisos, la tercera llei estableix que l'entropia d'un sistema pur i perfectament cristal·lí és zero quan la temperatura arriba al zero absolut. L'entropia és una mesura del desordre o l'aleatorietat d'un sistema, i la tercera llei indica que a mesura que la temperatura s'acosta al zero absolut, l'entropia del sistema també tendeix a zero.
Aplicacions de la termodinàmica clàssica
La termodinàmica clàssica té una àmplia gamma de aplicacions pràctiques. A continuació, es presenten algunes de les àrees en què la termodinàmica clàssica és àmpliament utilitzada:
- Enginyeria d'energia: La termodinàmica clàssica és essencial per al disseny i l'optimització de sistemes de generació d'energia, com ara centrals elèctriques, turbines de gas, motors de combustió interna i sistemes d'energia renovable. Ajuda a comprendre l'eficiència energètica, els cicles termodinàmics i la transferència de calor a aquests sistemes.
- Enginyeria química: La termodinàmica clàssica és crucial per al disseny i l'operació de processos químics, incloent-hi la producció de productes químics, refinació de petroli, síntesi de materials i producció d'aliments. Permet l'anàlisi d'equilibris químics, càlculs de transferència de calor i optimització de processos.
- Refrigeració i aire condicionat: La termodinàmica clàssica és essencial per comprendre els cicles de refrigeració i els sistemes daire condicionat. Ajuda al disseny de sistemes de refrigeració, la selecció de refrigerants i el càlcul de la capacitat de refredament.
- Ciència dels materials: La termodinàmica clàssica s'utilitza per estudiar les propietats dels materials en diferents estats termodinàmics, com ara la fase sòlida, líquida i gasosa. Ajuda a predir l'estabilitat de fases, les transicions de fase i les propietats d'equilibri, com ara la pressió de vapor i la solubilitat.
- Estudi de lequilibri químic: La termodinàmica clàssica és fonamental per comprendre lequilibri químic i el comportament de les reaccions químiques. Permet determinar si una reacció és espontània o no i proporciona informació sobre el rendiment termodinàmic dels processos químics.
- Investigació atmosfèrica i climàtica: La termodinàmica clàssica s'aplica a l'estudi de l'atmosfera, el clima i els fenòmens meteorològics. Ajuda a comprendre els processos de transferència de calor a l'atmosfera, la formació de núvols i la radiació solar.