Termodynamiikka

fysiikka
(Ohjattu sivulta Termodynaaminen)

Termodynamiikka (lämpöoppi) on energian, lämmön, työn, entropian ja tapahtumien spontaanisuuden fysiikkaa.lähde?

Alkujaan termodynamiikka ei ollut 'ajan fysiikkaa'. Kuitenkin termodynamiikan toinen pääsääntö ja siinä määritelty entropia tekee ajan nuolesta teoreettisen välttämättömyyden ja määrittelee samalla ajan suunnan: aika kulkee kohti suurempaa entropiaa.

Termodynamiikan historiaaMuokkaa

Klassinen termodynamiikka sai alkunsa 1800-luvun alussa. Se liittyi höyrykoneen kehittämiseen. Alussa termodynaaminen tutkimus keskittyi kokeellisiin mittauksiin eikä ottanut kantaa aineen rakenneosiin. Sir Benjamin Thompson tulkitsi jo 1700-luvun lopussa lämmön aineen liikkeeseen perustuvaksi, mutta hänen ajatuksensa otettiin energian käsitteen avulla käyttöön termodynamiikan tutkimuksessa vasta 1800-luvun alussa. William Thomson, tutummin lordi Kelvin, kehitti termodynamiikan teoriasta yhtenäisemmän.

Termodynamiikan peruskäsitteitä[1]Muokkaa

Termodynamiikan pääkäsite on systeemi. Systeemi on osa, jonka todellinen tai kuviteltu raja erottaa ympäristöstä. Systeemit luokitellaan avoimiksi, suljetuiksi ja eristetyiksi sen mukaan, kulkeeko aine ja energia systeemin ja ympäristön välillä vai ei.

Systeemi on avoin, milloin sekä aine että energia voivat kulkea systeemin ja ympäristön välillä.[2]

Systeemi on suljettu, milloin vain energia voi kulkea systeemin ja ympäristön välillä.[2]

Systeemi on eristetty, milloin energia ja aine eivät voi kulkea systeemin ja ympäristön välillä.[2]

Systeemin Tila on systeemin termodynaamisten muuttujien tila.

Systeemin tilamuuttujat ovat:[2]

Mikäli yksi tilanmuuttuja muuttuu, niin vähintään yhden toisenkin tilanmuuttujan arvo muuttuu.[2]

Systeemin tila muuttuu, kun tapahtuu jokin termodynaaminen prosessilähde?.

Termodynamiikan pääsäännötMuokkaa

Termodynamiikan nollas pääsääntö: tasapaino[1]Muokkaa

Säännön poikkeuksellinen nimeäminen johtuu siitä, että sääntö otettiin käyttöön vasta 1900-luvulla, jolloin ensimmäinen ja toinen pääsääntö oli jo otettu käyttöön. Aiempien sääntöjen nimeämistä ei haluttu muuttaa, joten se nimettiin nollanneksi, sillä sitä pidettiin niin perustavanlaatuisena, ettei sitä sopinut asettaa jo olemassa olleiden sääntöjen perään.

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: energian säilyminen[1]Muokkaa

dU = δQ + δW,
jossa U on systeemin sisäenergia, Q on systeemiin tuotu lämpömäärä ja W on systeemiin tehty työ. Tämä on nykyinen IUPAC:in mukainen merkintätapa.[3]

  • Energiaa ei voida luoda eikä hävittää. Ainoastaan muuttaa muodosta toiseen.
  • tai adiabaattisessa prosessissa tehty työ riippuu vain alku- ja lopputilasta, eikä prosessin kulusta
  • tai systeemiin tuotu lämpö muuttuu systeemin sisäenergiaksi, miinus systeemin tekemä työ.

Ensimmäinen pääsääntö koskien suljettua systeemiä on sama kuin energiaperiaate. Tietty määrä mekaanista työtä vastaa tiettyä määrää lämpöä, minkä osoittaa lämmön mekaaninen ekvivalentti.

Tämän vuoksi ikiliikkuja on mahdoton, koska esimerkiksi kitkan voittamiseksi systeemissä olisi synnyttävä koko ajan lisää energiaa.

Termodynamiikan toinen pääsääntö[1]Muokkaa

Toinen pääsääntö rajoittaa energian muuttamista työksi, osoittaa muutoksen suunnan ja toteaa entropian kasvun väistämättömyyden.

Clausiuksen teoreema ilmaisee termodynaamisen järjestelmän vapaaehtoisen ('spontaanin') muutoksen suunnan ja eristetyn järjestelmän tasapainotilan:

"Lämpö ei voi koskaan siirtyä kylmemmästä lämpimämpään ilman, että samanaikaisesti tapahtuu jotain muuta siihen liittyvää muutosta." (engl. "Heat can never pass from a colder to a warmer body without some other change, connected therewith, occurring at the same time", 1856).[4]

 
Lämpöä siirtyy lämpimästä kylmempään; lämpimämpi astia ei koskaan ota energiaa kylmemmästä lämmitäkseen lisää

Lordi Kelvinin muotoilu: Ei ole mahdollista ottaa lämpöenergiaa kuumasta ja tehdä sillä työtä, ellei käytettävissä ole kylmempää kohdetta; lämpötilaero on välttämättömyys lämpöenergian hyödyntämiseksi.[5] (engl. "It is impossible for a self-acting machine, unaided by any external agency, to convey heat from one body to another at a higher temperature.")[6]

  • lämpöä ei voi muuttaa täydellisesti työksi
  • tai eristetyn systeemin kokonaisentropia kasvaa
  • tai eristetyssä systeemissä eri lämpöiset kappaleet asettuvat aikaa myöten samaan lämpötilaan (entropia kasvaa).
  • tai kaikki ajautuu järjestyksestä kaaokseen (entropia kasvaa)

Mikään ei estä järjestystä kasvamasta - entropiaa pienenemästä - hetkellisesti, mutta koska epäjärjestyneiden tilojen todennäköisyys on valtavasti suurempi kuin järjestyneiden (hiukkaset voivat järjestyä "epäjärjestykseen" monilla tavoin, "järjestykseen" vain yhdellä tavoin), etenee kehitys todennäköisyyslaskennan lakien mukaan suuressa mittakaavassa, ts. suurella määrällä tapahtumia aina kohti todennäköisintä, epäjärjestyneintä lopputilaa.

Termodynamiikan kolmas pääsääntö: entropian nollapiste[1]Muokkaa

Tämän vuoksi absoluuttista nollapistettä ei voi saavuttaalähde?.

Termodynaamisia käsitteitäMuokkaa

Lämpöopin suureitaMuokkaa

Ekstensiivi- ja intensiivisuureetMuokkaa

  • Ekstensiiviset suureet ovat verrannollisia systeemin ainemäärään. Sellaisia ovat esimerkiksi tilavuus, sisäenergia ja lämpökapasiteetti.
  • Intensiiviset suureet ovat ainemäärästä riippumattomia. Sellaisia ovat esimerkiksi lämpötila, paine, aineen tiheys ja sen käänteisarvo ominaisuustilavuus, samoin moolitilavuus, ominaissisäenergia tai molaarinen sisäenergia, ominaislämpö tai molaarinen ominaislämpö. Intensiivisuureet saadaan ekstensiivisuureista jakamalla se massalla tai ainemäärällä; esimerkiksi aineen ominaislämpö on kappaleen lämpökapasiteetti jaettuna sen massalla.

SovellusalueetMuokkaa

KaavojaMuokkaa

  • Lämpömäärä: Q = cmΔt
  • Lämpövoimakoneen hyötysuhde η = (Q1-Q2)/Q1[7]

LähteetMuokkaa

  1. a b c d e Atkins, P. W. (Peter William), 1940–: Atkins' Physical chemistry, s. 3–116. New York: W.H. Freeman, 2006. 66528976. ISBN 0716787598. Teoksen verkkoversio.
  2. a b c d e FY2/1: Termodynaaminen systeemi
  3. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (IUPAC Green Book) Kts. kappale 2.11 Chemical Thermodynamics, s. 56 (pdf sivu 70)
  4. Clausius, R. (August 1856). "On a Modified Form of the Second Fundamental Theorem in the Mechanical Theory of Heat". Phil. Mag. 12 (77): 81–98. doi:10.1080/14786445608642141. 
  5. [http://www.courses.physics.helsinki.fi/fys/termo/termofysiikka2013_hv.pdf Termofysiikan perusteet Ismo Napari ja Hanna Vehkamäki]
  6. Kelvin 1852
  7. Kaavoja | Taulukot - Matematiikka, Fysiikka ja Kemia www.taulukot.com. 18.8.2014. Viitattu 4.7.2020.

KirjallisuuttaMuokkaa

  • Karttunen, Hannu: Fysiikka. Tiedettä kaikille. Ursan julkaisuja 89. Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1.

Aiheesta muuallaMuokkaa

 
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Termodynamiikka.