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 ara 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.
Quines són les lleis de la termodinàmica?
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”, llavors “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.
A la cinètica principi formulació zero de la termodinàmica és una tendència a arribar a una energia cinètica mitjana comuna dels àtoms i molècules dels cossos entre els quals porta d'intercanvi de calor: de mitjana, com a resultat de les col·lisions de les partícules del cos més calenta, de mitjana, més ràpid, amb les partícules del cos més fredes, de mitjana més lent, hi haurà energia passant del primer al segon, tendint a temperatures iguals. L'eficiència de l'intercanvi d'energia determina calors específiques dels elements involucrats.
Primera llei de la termodinàmica
Quan un cos es col·loca en contacte amb un cos relativament més fred, té lloc una transformació que condueix a un estat d'equilibri en què les temperatures dels dos cossos són iguals i realitzen una transferència d'energia entre el cos claent al cos fred.
Per explicar aquest fenomen, els científics del segle divuit van suposar que una substància, present en majors quantitats al cos més calent, passava al cos més fred.
Aquesta substància hipotètica, anomenada calòrica, es va pensar com un fluid capaç de moure's a través de la massa anomenada impròpiament matèria. El primer principi de la termodinàmica identifica la calor com una forma denergia que es pot convertir en treball mecànic i emmagatzemar-se, però que no és una substància material.
Es va demostrar experimentalment que la calor, originalment mesurada en calories i el treball o l'energia, mesurats al juliol, són en realitat equivalents. Cada caloria és equivalent a aproximadament 4,186 juliols.
El primer principi és, doncs, un principi de conservació de l'energia. A cada màquina tèrmica o un motor tèrmic, una certa quantitat d'energia es transforma en feina: no hi pot haver cap màquina que produeixi feina sense consumir energia. Una màquina semblant, si existís, de fet, produiria l'anomenat moviment perpetu de la primera espècie.
El primer principi s'estableix tradicionalment com a:
La variació de l'energia interna d'un sistema termodinàmic tancat és igual a la diferència entre la calor subministrada al sistema i el treball realitzat pel sistema a l'ambient.
La formulació matemàtica corresponent s'expressa com a:
ΔU = Q - L
on U és l'energia interna del sistema, Q la calor subministrada al sistema i L el treball realitzat pel sistema.
Energia interna vol dir la suma de les energies cinètiques i la interacció de les diferents partícules d'un sistema. Q és la calor intercanviada entre l'ambient i el sistema (positiu si se subministra al sistema, negativa si és transferida pel sistema) i L el treball realitzat (positiu si el sistema ho realitza a l'ambient, negatiu si ho fa l'ambient a el sistema).
La convenció de signes està influenciada per l'enllaç amb l'estudi dels motors tèrmics, on la calor es transforma (parcialment) en feina.
Les formulacions alternatives i equivalents del primer principi són:
- Per a un sistema obert, qw =? I on? E es destina a la variació de lenergia total, que no és més que la suma dels canvis en lenergia interna, lenergia cinètica i lenergia potencial que posseeix aquest sistema és. Veiem que per a un sistema tancat les variacions denergia cinètica i potencial són nul·les i, per tant, ens referim a la relació anterior.
- Per a un cicle termodinàmic, q = w, ja que la variació total denergia és zero, el sistema que té, al final de cada cicle, de nou en les mateixes condicions de partida.
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 el de converteixi la calor extreta d'una sola font en treball mecànic "( declaració de Kelvin ).
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
Està estretament relacionat amb aquest darrer i, en alguns casos, se'n considera una conseqüència. Es pot afirmar dient que “és impossible assolir el zero absolut amb un nombre finit de transformacions” i proporciona una definició precisa de la magnitud anomenada entropia.
També estableix que l'entropia per a un sòlid perfectament cristal·lí, a una temperatura de 0 Kelvin és igual a 0. És fàcil explicar aquesta afirmació a través de la termodinàmica molecular: un sòlid perfectament cristal·lí està compost d'un sol complex (Tots ells són maneres de organitzar les molècules, si les molècules són tots iguals, independentment de la manera com estan disposats, macroscòpicament el vidre és sempre la mateixa) i, sent a 0 kelvin, l'energia de vibració, de translació i de rotació de les partícules que ho componen és res, per tant, de la llei de Boltzmann S = k ln(1) = 0 on 1 són els complexos (en aquest cas només un).
Història de la termodinàmica
Va ser Sadi Carnot, el 1824, el primer que va demostrar que es pot obtenir treball de l'intercanvi de calor entre dues fonts a diferents temperatures. A través del teorema de Carnot i la màquina ideal de Carnot (basada al cicle de Carnot) va quantificar aquest treball i va introduir el concepte d'eficiència termodinàmica.
El 1848, Lord Kelvin, utilitzant la màquina de Carnot, va introduir el concepte de temperatura termodinàmica efectiva i és responsable d'una declaració del segon principi de la termodinàmica.
El 1850 James Prescott Joule va demostrar la igualtat de les dues formes d'energia (llavors es creia que el líquid calòric encara existia).
Havent arribat a això, es va plantejar el problema que, si fos possible obtenir la calor total de la feina, no hagués estat possible obtenir l'invers. Aquest resultat també va aterrar Clausius que el 1855 presenta la seva desigualtat per reconèixer processos reversibles de les irreversible i l'estat de la funció de l'entropia.
El 1876 Willard Gibbs va publicar el tractat "Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies" (Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies) que mostrava com un procés termodinàmic podria representar-se gràficament i com estudiar així l'energia, l'entropia, el volum, la temperatura i la pressió es podrien preveure l'eventual espontaneïtat del procés considerat.
El cas de la termodinàmica és emblemàtic en la història i en l'epistemologia de la ciència: és un d'aquests casos en què la pràctica ha estat pioner en la mateixa teoria: la primera està dissenyada per a la màquina de vapor, a continuació, se'n va sistematitzar el funcionament teòric a través dels seus principis bàsics.
Què és la termodinàmica química?
La termodinàmica química és lestudi de la interrelació entre la calor i el treball amb reaccions químiques o amb canvis físics de lestat dins dels confins de les lleis termodinàmiques.
