Układ termodynamiczny - Polski Serwis Naukowy

Termodynamika dotyczy nie tylko procesów zachodzących w układzie. Obejmuje zjawiska zachodzące na jego granicy (wymiana materii i energii) oraz zmiany stanu otoczenia, związane ze zmianami w układzie.

Stan gazu można jednoznacznie opisać podając dwa parametry stanu, np. ciśnienie (p) i temperaturę (T) lub temperaturę i objętość (v). Trzeci z parametrów, które zmieniają się w czasie dostarczania energii na sposób ciepła lub pracy zmiany objętości (–pΔv), określa odpowiednie równanie stanu, np. równanie stanu gazu doskonałego (równanie Clapeyrona).

Układ termodynamiczny – rodzaj układu fizycznego, czyli zespołu wzajemnie oddziałujących obiektów makroskopowych (ciał i pól), które mogą wymieniać energię i materię. Układ jest oddzielony od otoczenia jednoznacznie zdefiniowaną granicą, istniejącą realnie i dostrzegalną albo czysto myślową. Wyodrębniony zespół obiektów nazywa się układem termodynamicznym wtedy, gdy jest przedmiotem badań prowadzonych metodami termodynamicznymi, pozwalającymi opisać stan układu w różnych warunkach oraz przemiany, które w nim zachodzą.

Funkcja stanu to w termodynamice funkcja zależna wyłącznie od stanu układu, czyli od aktualnych wartości jego parametrów, takich jak masa, liczność materii, temperatura, ciśnienie, objętość i inne.
Termodynamika chemiczna – dział chemii fizycznej, stosujący zasady termodynamiki do badań reakcji chemicznych i procesów fizykochemicznych, wykorzystujący fenomenologiczne pojęcia potencjału chemicznego i aktywności składników układu w celu określania kierunku przemian, zmierzających do stanu termodynamicznej równowagi, oraz energetycznych efektów tych przemian – ilości energii, wymienianej między badanym układem i jego otoczeniem (ciepło i praca). Termodynamika chemiczna jest teoretyczną podstawą technologii i inżynierii chemicznej, dotyczy też tzw. procesów nieodwracalnych, przebiegających w układach otwartych termodynamicznie, w skali molekularnej (np. energetyka procesów życiowych) lub w skali kosmicznej (np. struktury dyssypatywne we Wszechświecie).

Stan układu jednoznacznie charakteryzuje odpowiednia, zależna od rodzaju układu, liczba parametrów stanu lub wartości funkcji nazywanych funkcjami stanu. Wartości tych funkcji są zależne wyłącznie od parametrów stanu.

Do określania kierunku procesów samorzutnych są stosowane takie funkcje stanu, które w stanie równowagi termodynamicznej mają wartość ekstremalną. Różnice między wartościami tych funkcji w dowolnym stanie i w stanie równowagi są miarą siły napędowej procesów, w związku z czym nazywa się je potencjałami termodynamicznymi, np.:

Otoczenie termodynamiczne , skrótowo otoczenie, inaczej środowisko to wszystko co nie należy do układu termodynamicznego, teoretycznie cały Wszechświat.
Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

dla przemian zachodzących warunkach u,v = const potencjałem termodynamicznym jest entropia (s), która osiąga maksimum w stanie równowagi (największy „nieporządek”)

w warunkach v,s = const potencjałem termodynamicznym jest energia wewnętrzna (u), która osiąga minimum w stanie równowagi i jest nazywana potencjałem izochoryczno–izoentropowym

Klasyfikacja układów na podstawie rodzaju granicy

Biorąc pod uwagę możliwości wymiany materii i energii między układem a jego otoczeniem układ może być:

Mieszalność cieczy jest zjawiskiem, które dotyczy cieczy o zbliżonych właściwościach (znana reguła "podobne w podobnym"), np. ciecze polarne mieszają się z innymi cieczami polarnymi, ciecze niepolarne mieszają się dobrze z innymi cieczami niepolarnymi (zobacz np. napięcie powierzchniowe).
Równanie stanu jest związkiem między parametrami (funkcjami stanu) układu termodynamicznego, takimi jak ciśnienie P, gęstość masy ρ (w przypadku relatywistycznym gęstość masy-energii i gęstość numeryczna cząstek), temperatura T, entropia s, energia wewnętrzna u, który można zapisać w postaci następującego równania:

zamknięty (odosobniony, izolowany) – brak możliwości wymiany materii i energii

półzamknięty – możliwa wymiana energii, brak możliwości wymiany materii,

otwarty – możliwa wymiana materii i energii

Za przykład układu zamkniętego uważa się Wszechświat. Głównym obiektem badań termodynamiki chemicznej są układy otwarte i półzamknięte. Energia może być przekazywana układowi przez otoczenie (umownie – wartości dodatnie) lub z układu do otoczenia (umownie – wartości ujemne). Z wymianą energii wiąże się wykonywanie pracy lub wymiana ciepła (używane są określenia „wymiana energii na sposób ciepła” lub „na sposób pracy”).

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.
Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Wykonywaną pracą jest jest praca objętościowa lub nieobjętościowa np. praca prądu elektrycznego.

Wymiana energii na sposób ciepła zależy od rodzaju osłony otaczającej układ. W skrajnych przypadkach są to osłony:

adiabatyczne (cieplne, termiczne), wykonane z niemal doskonałego izolatora

diatermiczne, wykonane z niemal doskonałego przewodnika

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)