Põhimõisted ja kontseptsioonid
Contents
1.1. Põhimõisted ja kontseptsioonid¶
Termodünaamika aksiomaatika.
Puhtalt termodünaamika ülesehitamisel postuleeritakse:
termodünaamilise tasakaalu olemasolu
siseenergia ja entroopia aditiivsus
temperatuuri olemasolu
termodünaamika esimene printsiip
termodünaamika teine printsiip
termodünaamika kolmas printsiip (Nernsti printsiip)
1.1.1. Süsteemide liigid¶
Termodünaamiline süsteem. Makroskoopiliselt suur süsteem. Sellises süsteem kehtivad termodünaamika seadused. Mõningaseks orientiiriks on Avogadro arv \(N_{\mathrm{A}}\sim 10^{23}(mol)^{-1}\).
Isoleeritud süsteem. Süsteem ei vaheta ümbrusega ei energiat ega ainet.
Termiliselt isoleeritud süsteem. Süsteemi ei vaheta ümbrusega soojust.
Suletud süsteem. Süsteemi vahetab ümbrusega ainult energiat. Aine ülekannet ei toimu.
Avatud süsteem. Süsteem vahetab ümbrusega nii energiat kui ainet.
Süsteemist ja sellega kontaktis olevast reservuaarist koosnev isoleeritud liitsüsteem. Mõtteline konstruktsioon, mida termodünaamikas sageli kasutatakse. Reservuaar on süsteemist palju suurem, mistõttu suvalise süsteemis toimuva protsessi korral võib sellega kaasnevat reservuaaris toimuvat protsessi lugeda tasakaaluliseks.
1.1.2. Parameetrite liigid¶
Olekuparameetrid. Termodünaamilise süsteemi olekut kirjeldavad teatavad makroskoopilised suurused – olekuparameetrid (\(T\) – temperatuur, \(p\) – rõhk, \(V\) – ruumala, \(U\) – siseenergia, \(S\) – entroopia, \(\mu\) – keemiline potentsiaal, \(N\)– osakeste arv jt).
Sisemised olekuparameetrid. On seotud süsteemi moodustavaid osakesi iseloomustavate füüsikaliste suuruste keskväärtustega. Olulisemateks näideteks on rõhk, temperatuur, aine tihedus, siseenergia, entroopia jt.
Välised olekuparameetrid. On määratud väliste faktorite poolt. Siia kuuluvad väliseid jõuvälju iseloomustavad suurused (välja tugevus või potentsiaal), aga ka ruumala, kui see on määratud väliste tingimustega.
Intensiivsed olekuparameetrid. On ühesuguse väärtusega tasakaalulise süsteemi kõigis osades. Sellisteks olekuparameetriteks on rõhk, temperatuur, keemiline potentsiaal jt. Kui muudame süsteemi mõõtmeid ja osakeste arvu nii, et \(V/N=\mathrm{const}\), siis intensiivsed olekuparameetrid ei muutu.
Ekstensiivsed olekuparameetrid. Need on aditiivsed suurused, st nende väärtus kogu süsteemi jaoks võrdub osasüsteemidele vastavate väärtuste summaga. Siia kuuluvad ruumala, siseenergia, entroopia jt. Kui muudame süsteemi mõõtmeid ja osakeste arvu nii, et \(V/N=\mathrm{const}\), siis ekstensiivsed olekuparameetrid muutuvad võrdeliselt süsteemi mõõtmetega.
Sõltumatud olekuparameetrid. Mitte kõik termodünaamilise süsteemi olekuparameetrid ei ole sõltumatud. Reeglina on süsteemi tasakaaluolek üheselt määratud väikese arvu sõltumatute olekuparameetrite poolt. Ülejäänud olekuparameetrid on siis nende kaudu avaldatavad. Selliste seoste abil on võimalik ühtedelt sõltumatutelt olekuparameetritelt üle minna teistele.
Olekuvõrrandid. Termodünaamilises tasakaalus sõltuvad kõik sisemised olekuparameetrid süsteemi välistest olekuparameetritest ja temperatuurist. Selliseid seoseid nimetatakse üldiselt olekuvõrranditeks.
Olekufunktsioonid. Need on suurused, mis sõltuvad üheselt termodünaamilise süsteemi olekust, st ei sõltu protsessist, mille tulemusena see olek on realiseerunud. Olekufunktsioonid sõltuvad termodünaamilises tasakaalus ainult sõltumatutest olekuparameetritest.
1.1.3. Olekute liigid¶
Tasakaaluolek (termodünaamiline tasakaal). Termodünaamilise süsteemi olek, kus olekuparameetrid ei sõltu ajast ja intensiivsed olekuparameetrid on ruumiliselt homogeensed.
Mittetasakaaluolek. Vähemalt üks olekuparameeter muutub ajas ja intensiivsed olekuparameetrid võivad olla ruumiliselt mittehomogeensed (näiteks nullist erinev temperatuuri gradient, rõhu gradient jne).
1.1.4. Protsesside liigid¶
Termodünaamiline protsess. Termodünaamilise süsteemi evolutsioon ajas. Termodünaamilise protsessi käigus vähemalt üks olekuparameeter muutub.
Pööratav protsess ehk tasakaaluline protsess. Termodünaamiline protsess, mis võib kulgeda ka vastupidises suunas ilma mingi täiendava muutuseta süsteemis ja/või selle ümbruses. Tegemist on piisavalt aeglase protsessiga, mida võib ligikaudu tõlgendada üksteisele järgnevate tasakaaluolekute reana.
Pöördumatu protsess. Termodünaamiline protsess, mis ei ole pööratav. Kui isoleeritud süsteemis on tekitatud mittetasakaaluolek, siis kulgeb seal pöördumatu protsess kuni süsteem saavutab termodünaamilise tasakaalu. Niisugust protsessi nimetatakse ka relaksatsiooniprotsessiks.
Adiabaatiline protsess (isoentroopne protsess). Tasakaaluline protsess, mille jooksul soojusülekannet ei toimu.
Isotermiline protsess. Tasakaaluline protsess, mille jooksul süsteemi temperatuur ei muutu.
Isobaariline protsess. Tasakaaluline protsess, mille jooksul süsteemi rõhk ei muutu.
Isohooriline protsess. Tasakaaluline protsess, mille jooksul süsteemi ruumala ei muutu.