1.3. Seosed olekuparameetrite vahel

1.3.1. Olekuvõrrandid

Olekuvõrrandeid ei saa tuletada, jäädes puhtalt fenomenoloogilise termodünaamika raamidesse. Need saadakse, rakendades statistilist mehaanikat konkreetsetes mikroskoopilistes süsteemides (mudelsüsteemides), või ka empiiriliselt, lähtudes katseandmetest. Toome siin ära kaks tuntumat olukuvõrrandit.

  • Ideaalse gaasi olekuvõrrand

    \[pV=\nu R T,\]

    kus \(\nu\) on aine hulk moolides ja \(R=N_{\mathrm{A}}k_{\mathrm{B}}\) on universaalne gaasikonstant (\(N_{\mathrm{A}}\) on Avogadro arv ja \(k_{\mathrm{B}}\) on Boltzmanni konstant).

  • Van der Waalsi gaasi olekuvõrrand

    \[\left(p+\frac{a\nu^{2}}{V^{2}}\right)\left(V-\nu b\right)=\nu R T,\]

    kus \(a,b>0\) on gaasi liigist sõltuvad konstandid.

1.3.2. Soojusmahtuvus

Termodünaamilises tasakaalus olevale süsteemile antakse või sealt võetakse soojushulk \(\delta Q\), mille tulemusena süsteemi temperatuur muutub \(dT\) võrra. Soojusmahtuvuseks nimetatakse suhet \(C=\delta Q/dT=TdS/dT\). Soojusmahtuvus sõltub soojusülekande protsessi iseloomust.

  • Kui soojusülekande käigus \(V=\mathrm{const}\), siis on tegemist isohoorse soojusmahtuvusega

    \[C_{V}=T\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_{V}\]
  • Kui soojusülekande käigus \(p=\mathrm{const}\), siis on tegemist isobaarse soojusmahtuvusega

    \[C_{p}=T\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_{p}.\]

1.3.3. Termodünaamilised potentsiaalid

Termodünaamilised potentsiaalid on teatavad sõltumatute olekuparameetrite funktsioonid (teatavad olekufunktsioonid), mille abil termodünaamilises tasakaalus on leitavad kõik ülejäänud olekuparameetrid.

  • Siseenergia \(U\)

\[dU=TdS-pdV+\mu dN\qquad \Rightarrow\qquad U=U(S,V,N),\]
(1.5)\[\left(\frac{\partial U}{\partial S}\right)_{V,N}=T,\quad \left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_{S,N}=-p,\quad \left(\frac{\partial U}{\partial N}\right)_{S,V}=\mu.\]
  • Entroopia \(S\)

\[dS=\frac{1}{T}dU+\frac{p}{T}dV-\frac{\mu}{T}dN\qquad \Rightarrow\qquad S=S(U,V,N),\]
(1.6)\[\left(\frac{\partial S}{\partial U}\right)_{V,N}=\frac{1}{T},\quad \left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_{U,N}=\frac{p}{T},\quad \left(\frac{\partial S}{\partial N}\right)_{U,V}=-\frac{\mu}{T}.\]
  • Helmholtzi vabaenergia \(F\)

    \[F=U-TS\qquad \Rightarrow\qquad dF=-SdT-pdV+\mu dN\qquad \Rightarrow\qquad F=F(T,V,N),\]
    (1.7)\[\left(\frac{\partial F}{\partial T}\right)_{V,N}=-S,\quad \left(\frac{\partial F}{\partial V}\right)_{T,N}=-p,\quad \left(\frac{\partial F}{\partial N}\right)_{T,V}=\mu.\]
  • Gibbsi vabaenergia \(G\)

    \[G=U-TS+pV\qquad \Rightarrow\qquad dG=-SdT+Vdp+\mu dN \qquad\Rightarrow\qquad G=G(T,p,N),\]
    (1.8)\[\left(\frac{\partial G}{\partial T}\right)_{p,N}=-S,\quad \left(\frac{\partial G}{\partial p}\right)_{T,N}=V,\quad \left(\frac{\partial G}{\partial N}\right)_{T,p}=\mu.\]
  • Entalpia \(H\)

    \[H=U+pV\qquad \Rightarrow\qquad dH=TdS+Vdp+\mu dN\qquad \Rightarrow\qquad H=H(S,p,N),\]
    (1.9)\[\left(\frac{\partial H}{\partial S}\right)_{p,N}=T,\quad \left(\frac{\partial H}{\partial p}\right)_{S,N}=V,\quad \left(\frac{\partial H}{\partial N}\right)_{S,p}=\mu.\]
  • Suur termodünaamiline potentsiaal \(\Omega\)

    \[\Omega=F-\mu N\qquad \Rightarrow\qquad d\Omega=-SdT-pdV- Nd\mu\qquad \Rightarrow\qquad \Omega=\Omega(T,V,\mu),\]
    (1.10)\[\left(\frac{\partial \Omega}{\partial T}\right)_{V,\mu}=-S,\quad \left(\frac{\partial \Omega}{\partial V}\right)_{T,\mu}=-p,\quad \left(\frac{\partial \Omega}{\partial \mu}\right)_{T,V}=-N.\]
  • Maxwelli seosed. Need on seosed olekuparameetrite tuletiste vahel, mis järelduvad termodünaamiliste potentsiaalide definitsioonidest. Valemitest (1.5) järeldub, et

    (1.11)\[\left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_{S,N}=-\left(\frac{\partial p} {\partial S}\right)_{V,N},\quad \left(\frac{\partial T}{\partial N}\right)_{S,V}=\left(\frac{\partial \mu}{\partial S}\right)_{V,N},\quad \left(\frac{\partial p}{\partial N}\right)_{S,V}=-\left(\frac{\partial \mu}{\partial V}\right)_{S,N}.\]

    Valemitest (1.7) järeldub, et

    (1.12)\[\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_{T,N}=\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_{V,N},\quad \left(\frac{\partial S}{\partial N}\right)_{T,V}=-\left(\frac{\partial \mu}{\partial T}\right)_{V,N},\quad \left(\frac{\partial p}{\partial N}\right)_{T,V}=-\left(\frac{\partial \mu}{\partial V}\right)_{T,N}.\]

    Valemitest (1.8) järeldub, et

    (1.13)\[\left(\frac{\partial S}{\partial p}\right)_{T,N}=-\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p,N},\quad \left(\frac{\partial S}{\partial N}\right)_{T,p}=-\left(\frac{\partial \mu}{\partial T}\right)_{p,N},\quad \left(\frac{\partial V}{\partial N}\right)_{T,p}=\left(\frac{\partial \mu}{\partial p}\right)_{T,N}.\]

    Valemitest (1.9) järeldub, et

    (1.14)\[\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_{S,N}=\left(\frac{\partial V}{\partial S}\right)_{p,N},\quad \left(\frac{\partial T}{\partial N}\right)_{S,p}=\left(\frac{\partial \mu}{\partial S}\right)_{p,N},\quad \left(\frac{\partial V}{\partial N}\right)_{S,p}=\left(\frac{\partial \mu}{\partial p}\right)_{S,N}.\]

    Valemitest (1.10) järeldub, et

    (1.15)\[\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_{T,\mu}=\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_{V,\mu},\quad \left(\frac{\partial S}{\partial \mu}\right)_{T,V}=\left(\frac{\partial N}{\partial T}\right)_{V,\mu},\quad \left(\frac{\partial p}{\partial \mu}\right)_{T,V}=\left(\frac{\partial N}{\partial V}\right)_{T,\mu}.\]

    Võrdusi (1.11)-(1.15) nimetatakse Maxwelli seosteks.

1.3.4. Termodünaamiline tasakaal ja termodünaamilised potentsiaalid

  • Kui reservuaariga kontaktis oleva süsteemi relaksatsiooniprotsessi käigus \(S=\mathrm{const}\), \(V=\mathrm{const}\) ja \(N=\mathrm{const}\), siis süsteemi siseenergia väheneb ja saavutab termodünaamilises tasakaalus minimaalse väärtuse.

  • Kui reservuaariga kontaktis oleva süsteemi relaksatsiooniprotsessi käigus \(T=\mathrm{const}\), \(V=\mathrm{const}\) ja \(N=\mathrm{const}\), siis süsteemi Helmholtzi vabaenergia väheneb ja saavutab termodünaamilises tasakaalus minimaalse väärtuse.

  • Kui reservuaariga kontaktis oleva süsteemi relaksatsiooniprotsessi käigus \(T=\mathrm{const}\), \(p=\mathrm{const}\) ja \(N=\mathrm{const}\), siis süsteemi Gibbsi vabaenergia väheneb ja saavutab termodünaamilises tasakaalus minimaalse väärtuse.

  • Kui reservuaariga kontaktis oleva süsteemi relaksatsiooniprotsessi käigus \(S=\mathrm{const}\), \(p=\mathrm{const}\) ja \(N=\mathrm{const}\), siis süsteemi entalpia väheneb ja saavutab termodünaamilises tasakaalus minimaalse väärtuse.