สารานุกรมโรงเรียน. ระบบอุณหพลศาสตร์
เป็นเวลานานแล้วที่นักฟิสิกส์และตัวแทนของวิทยาศาสตร์อื่น ๆ มีวิธีอธิบายสิ่งที่พวกเขาสังเกตเห็นในระหว่างการทดลอง ขาดความเห็นพ้องต้องกันและการมีอยู่ ปริมาณมากเงื่อนไขที่ถูกนำออกมาจากอากาศทำให้เกิดความสับสนและความเข้าใจผิดในหมู่เพื่อนร่วมงาน เมื่อเวลาผ่านไป สาขาฟิสิกส์แต่ละสาขาได้รับคำจำกัดความและหน่วยการวัดที่กำหนดไว้เป็นของตัวเอง นี่คือลักษณะที่ปรากฏของพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงระดับมหภาคส่วนใหญ่ในระบบ
คำนิยาม
พารามิเตอร์สถานะหรือพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์คือปริมาณทางกายภาพจำนวนหนึ่งที่รวมกันและแยกกันสามารถระบุลักษณะเฉพาะของระบบที่สังเกตได้ ซึ่งรวมถึงแนวคิดเช่น:
- อุณหภูมิและความดัน
- ความเข้มข้น การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก
- เอนโทรปี;
- เอนทาลปี;
- พลังงานของกิ๊บส์และเฮล์มโฮลทซ์และอื่นๆ อีกมากมาย
มีพารามิเตอร์ที่เข้มข้นและกว้างขวาง เนื้อหาส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับมวลของระบบเทอร์โมไดนามิกส์โดยตรง ส่วนเนื้อหาเข้มข้นจะถูกกำหนดโดยเกณฑ์อื่น พารามิเตอร์บางตัวไม่เป็นอิสระเท่ากัน ดังนั้น ในการคำนวณสถานะสมดุลของระบบ จึงจำเป็นต้องกำหนดพารามิเตอร์หลายตัวในคราวเดียว
นอกจากนี้ยังมีความขัดแย้งทางคำศัพท์บางอย่างในหมู่นักฟิสิกส์ เดียวกัน ลักษณะทางกายภาพผู้เขียนที่แตกต่างกันอาจเรียกมันว่ากระบวนการ พิกัด ปริมาณ พารามิเตอร์ หรือแม้แต่คุณสมบัติ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับเนื้อหาที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เนื้อหานั้น แต่ในบางกรณีก็มีคำแนะนำที่เป็นมาตรฐานที่ผู้ร่างเอกสารตำราเรียนหรือคำสั่งต้องปฏิบัติตาม
การจัดหมวดหมู่
มีการจำแนกประเภทของพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ได้หลายประเภท จากประเด็นแรกเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าปริมาณทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็น:
- กว้างขวาง (สารเติมแต่ง) - สารดังกล่าวเป็นไปตามกฎการเติมนั่นคือมูลค่าของมันขึ้นอยู่กับปริมาณของส่วนผสม
- เข้มข้น - ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณของสารที่ถูกนำไปใช้ในการทำปฏิกิริยา เนื่องจากพวกมันจะปรับระดับออกระหว่างการโต้ตอบ
ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่สารที่ประกอบเป็นระบบตั้งอยู่ ปริมาณสามารถแบ่งออกเป็นเงื่อนไขที่อธิบายปฏิกิริยาเฟสและ ปฏิกริยาเคมี. นอกจากนี้ต้องคำนึงถึงสารตั้งต้นด้วย พวกเขาสามารถเป็น:
- เทอร์โมกล;
- อุณหฟิสิกส์;
- เทอร์โมเคมี
นอกจากนี้ ระบบอุณหพลศาสตร์ยังทำหน้าที่เฉพาะ ดังนั้นพารามิเตอร์จึงสามารถระบุลักษณะงานหรือความร้อนที่ได้รับอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยา และยังช่วยให้สามารถคำนวณพลังงานที่จำเป็นในการถ่ายโอนมวลของอนุภาคได้
ตัวแปรสถานะ
สถานะของระบบใด ๆ รวมถึงระบบทางอุณหพลศาสตร์สามารถกำหนดได้จากคุณสมบัติหรือคุณลักษณะร่วมกัน ตัวแปรทั้งหมดที่ถูกกำหนดโดยสมบูรณ์ในช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้นและไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าระบบมาถึงสถานะนี้ได้อย่างไรเรียกว่าพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ (ตัวแปร) ของสถานะหรือฟังก์ชันของสถานะ
ระบบจะถือว่าหยุดนิ่งหากฟังก์ชันตัวแปรไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป ทางเลือกหนึ่งคือสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ แม้แต่การเปลี่ยนแปลงที่เล็กน้อยที่สุดในระบบก็เป็นกระบวนการอยู่แล้ว และอาจประกอบด้วยพารามิเตอร์สถานะทางอุณหพลศาสตร์ที่แปรผันได้ตั้งแต่หนึ่งถึงหลายตัว ลำดับที่สถานะของระบบเปลี่ยนรูปซึ่งกันและกันอย่างต่อเนื่องเรียกว่า "เส้นทางกระบวนการ"
น่าเสียดายที่ความสับสนกับคำศัพท์ยังคงมีอยู่ เนื่องจากตัวแปรเดียวกันอาจเป็นตัวแปรอิสระหรือเป็นผลมาจากการเพิ่มฟังก์ชันของระบบหลายอย่าง ดังนั้นคำศัพท์เช่น "ฟังก์ชันสถานะ", "พารามิเตอร์สถานะ", "ตัวแปรสถานะ" จึงถือเป็นคำพ้องความหมายได้
อุณหภูมิ
หนึ่งในพารามิเตอร์อิสระของสถานะของระบบอุณหพลศาสตร์คืออุณหภูมิ เป็นปริมาณที่แสดงลักษณะปริมาณพลังงานจลน์ต่อหน่วยอนุภาคในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ในสภาวะสมดุล
หากเราเข้าใกล้คำจำกัดความของแนวคิดจากมุมมองของอุณหพลศาสตร์ อุณหภูมิจะเป็นปริมาณที่แปรผกผันกับการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีหลังจากเพิ่มความร้อน (พลังงาน) ให้กับระบบ เมื่อระบบอยู่ในสภาวะสมดุล ค่าอุณหภูมิจะเท่ากันสำหรับ "ผู้เข้าร่วม" ทั้งหมด หากมีอุณหภูมิแตกต่างกัน พลังงานจะถูกปล่อยออกมาจากร่างกายที่ร้อนกว่าและถูกดูดซับโดยร่างกายที่เย็นกว่า
มีระบบทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งเมื่อมีการเพิ่มพลังงาน ความผิดปกติ (เอนโทรปี) จะไม่เพิ่มขึ้น แต่ในทางกลับกัน ลดลง นอกจากนี้ หากระบบดังกล่าวมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าของมันเอง มันจะให้พลังงานจลน์แก่ร่างกายนี้ และจะไม่ในทางกลับกัน (ตามกฎของอุณหพลศาสตร์)
ความดัน
ความดันคือปริมาณที่แสดงลักษณะของแรงที่กระทำต่อวัตถุที่ตั้งฉากกับพื้นผิว ในการคำนวณพารามิเตอร์นี้จำเป็นต้องแบ่งกำลังทั้งหมดตามพื้นที่ของวัตถุ หน่วยของแรงนี้จะเป็นปาสคาล
ในกรณีของพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ ก๊าซจะครอบครองปริมาตรทั้งหมดที่มีอยู่ และนอกจากนี้ โมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นก๊าซจะเคลื่อนที่อย่างโกลาหลอย่างต่อเนื่องและชนกันและกับภาชนะที่พวกมันตั้งอยู่ ผลกระทบเหล่านี้เองที่ทำให้เกิดแรงกดดันของสารบนผนังของถังหรือบนร่างกายที่ถูกวางไว้ในก๊าซ แรงถูกกระจายเท่าๆ กันในทุกทิศทางอย่างแม่นยำ เนื่องจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่ไม่สามารถคาดเดาได้ ในการเพิ่มแรงดันจำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิของระบบและในทางกลับกัน
กำลังภายใน
พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์หลักที่ขึ้นอยู่กับมวลของระบบ ได้แก่ พลังงานภายใน ประกอบด้วยพลังงานจลน์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสาร เช่นเดียวกับพลังงานศักย์ที่เกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์กัน
พารามิเตอร์นี้ไม่คลุมเครือ นั่นคือค่าของพลังงานภายในจะคงที่ทุกครั้งที่ระบบพบว่าตัวเองอยู่ในสถานะที่ต้องการ ไม่ว่าจะบรรลุผลสำเร็จ (สถานะ) ก็ตาม
ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในได้ ประกอบด้วยความร้อนที่เกิดจากระบบและงานที่ผลิต สำหรับกระบวนการบางอย่าง พารามิเตอร์อื่นๆ จะถูกนำมาพิจารณาด้วย เช่น อุณหภูมิ เอนโทรปี ความดัน ศักย์ไฟฟ้า และจำนวนโมเลกุล
เอนโทรปี
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีไม่ลดลง อีกสูตรหนึ่งยืนยันว่าพลังงานไม่เคยถ่ายโอนจากร่างกายที่อุณหภูมิต่ำกว่าไปยังร่างกายที่อุณหภูมิสูงกว่า ในทางกลับกันสิ่งนี้ปฏิเสธความเป็นไปได้ในการสร้างกลไกการเคลื่อนไหวตลอดกาลเนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายโอนพลังงานทั้งหมดที่มีให้กับร่างกายไปทำงาน
แนวคิดเรื่อง "เอนโทรปี" ถูกนำมาใช้ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 จากนั้นถูกมองว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงปริมาณความร้อนต่ออุณหภูมิของระบบ แต่คำจำกัดความดังกล่าวเหมาะสำหรับกระบวนการที่อยู่ในสภาวะสมดุลตลอดเวลาเท่านั้น จากนี้เราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้: หากอุณหภูมิของร่างกายที่ประกอบเป็นระบบมีแนวโน้มเป็นศูนย์ เอนโทรปีจะเป็นศูนย์
เอนโทรปีเป็นพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ของสถานะของก๊าซถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้การวัดความผิดปกติและการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของอนุภาค ใช้เพื่อกำหนดการกระจายตัวของโมเลกุลในพื้นที่และภาชนะบางจุด หรือเพื่อคำนวณแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของอันตรกิริยาระหว่างไอออนของสาร
เอนทาลปี
เอนทัลปีคือพลังงานที่สามารถแปลงเป็นความร้อน (หรืองาน) ที่ความดันคงที่ นี่คือศักยภาพของระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุลหากผู้วิจัยทราบระดับเอนโทรปี จำนวนโมเลกุล และความดัน
หากมีการระบุพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ของก๊าซในอุดมคติ ระบบจะใช้สูตร "พลังงานของระบบขยาย" แทนเอนทาลปี เพื่อให้อธิบายค่านี้ได้ง่ายขึ้น คุณสามารถจินตนาการถึงถังบรรจุก๊าซซึ่งถูกลูกสูบอัดอย่างสม่ำเสมอ (เช่น เครื่องยนต์สันดาปภายใน) ในกรณีนี้ เอนทาลปีจะเท่ากับไม่เพียงแต่กับพลังงานภายในของสสารเท่านั้น แต่ยังรวมถึงงานที่ต้องทำเพื่อทำให้ระบบอยู่ในสถานะที่ต้องการด้วย การเปลี่ยนพารามิเตอร์นี้ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสุดท้ายของระบบเท่านั้นและเส้นทางที่จะได้รับนั้นไม่สำคัญ
พลังงานกิ๊บส์
พารามิเตอร์และกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับศักยภาพพลังงานของสารที่ประกอบเป็นระบบ ดังนั้นพลังงานกิ๊บส์จึงเท่ากับพลังงานเคมีทั้งหมดของระบบ โดยจะแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงใดจะเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาเคมี และดูว่าสารจะมีปฏิกิริยาโต้ตอบหรือไม่
การเปลี่ยนแปลงปริมาณพลังงานและอุณหภูมิของระบบระหว่างปฏิกิริยาจะส่งผลต่อแนวคิดต่างๆ เช่น เอนทาลปีและเอนโทรปี ความแตกต่างระหว่างพารามิเตอร์ทั้งสองนี้จะเรียกว่าพลังงานกิ๊บส์หรือศักย์ไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอล
ค่าต่ำสุดของพลังงานนี้จะสังเกตได้หากระบบอยู่ในสภาวะสมดุล และความดัน อุณหภูมิ และปริมาณของสารยังคงไม่เปลี่ยนแปลง
พลังงานเฮล์มโฮลทซ์
พลังงานของ Helmholtz (ตามแหล่งอื่น - พลังงานอิสระเพียงอย่างเดียว) แสดงถึงปริมาณพลังงานที่อาจเกิดขึ้นที่ระบบจะสูญเสียไปเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับร่างกายภายนอก
แนวคิดของพลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์มักถูกใช้เพื่อกำหนดว่าระบบสามารถทำงานได้สูงสุดเท่าใด กล่าวคือ ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาเมื่อสารเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง
หากระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (นั่นคือมันไม่ได้ทำงานใด ๆ ) แสดงว่าระดับพลังงานอิสระอยู่ที่ระดับต่ำสุด ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน จำนวนอนุภาค จะไม่เกิดขึ้นเช่นกัน
คำจำกัดความ 1
ระบบอุณหพลศาสตร์คือการรวมตัวกันและความคงตัวของร่างกายทางกายภาพขนาดมหึมาซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันและกับองค์ประกอบอื่น ๆ เสมอโดยแลกเปลี่ยนพลังงานกับพวกมัน
ในอุณหพลศาสตร์ พวกเขามักจะเข้าใจว่าระบบเป็นแบบมหภาค รูปแบบทางกายภาพซึ่งประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการใช้ตัวบ่งชี้มหภาคเพื่ออธิบายแต่ละองค์ประกอบ ไม่มีข้อจำกัดบางประการในลักษณะของเนื้อหาที่เป็นส่วนประกอบของแนวคิดดังกล่าว พวกมันสามารถแสดงเป็นอะตอม โมเลกุล อิเล็กตรอน ไอออน และโฟตอน
ระบบอุณหพลศาสตร์มีสามประเภทหลัก:
- โดดเดี่ยว – แลกเปลี่ยนกับสสารหรือพลังงานด้วย สิ่งแวดล้อมไม่ได้ดำเนินการ;
- ปิด - ร่างกายไม่ได้เชื่อมต่อกับสิ่งแวดล้อม
- เปิด - มีทั้งพลังงานและการแลกเปลี่ยนมวลกับพื้นที่ภายนอก
พลังงานของระบบอุณหพลศาสตร์สามารถแบ่งออกเป็นพลังงานที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของระบบ เช่นเดียวกับพลังงานที่กำหนดโดยการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กที่ก่อให้เกิดแนวคิด ส่วนที่สองในฟิสิกส์เรียกว่าพลังงานภายในของระบบ
คุณสมบัติของระบบเทอร์โมไดนามิกส์
รูปที่ 1. ประเภทของระบบอุณหพลศาสตร์ Author24 - แลกเปลี่ยนผลงานนักศึกษาออนไลน์
หมายเหตุ 1
เช่น ลักษณะเด่นในระบบอุณหพลศาสตร์ คุณสามารถนำวัตถุใดๆ เข้ามาสังเกตได้โดยไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์และกล้องโทรทรรศน์
เพื่อให้คำอธิบายที่สมบูรณ์ของแนวคิดดังกล่าว จำเป็นต้องเลือกรายละเอียดขนาดมหภาคซึ่งสามารถระบุความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก โพลาไรเซชันทางไฟฟ้า ได้อย่างแม่นยำ องค์ประกอบทางเคมี, มวลของส่วนประกอบที่เคลื่อนไหว
สำหรับระบบทางอุณหพลศาสตร์ใดๆ มีข้อจำกัดตามเงื่อนไขหรือขีดจำกัดที่แท้จริงที่แยกออกจากสิ่งแวดล้อม แต่พวกเขามักจะพิจารณาแนวคิดของเทอร์โมสตัทซึ่งมีความจุความร้อนสูงซึ่งในกรณีของการแลกเปลี่ยนความร้อนกับแนวคิดที่วิเคราะห์ พารามิเตอร์อุณหภูมิยังคงไม่เปลี่ยนแปลง
ขึ้นอยู่กับลักษณะทั่วไปของปฏิสัมพันธ์ของระบบอุณหพลศาสตร์กับสิ่งแวดล้อม เป็นเรื่องปกติที่จะแยกแยะ:
- สิ่งมีชีวิตแยกเดี่ยวที่ไม่แลกเปลี่ยนสสารหรือพลังงานด้วย สภาพแวดล้อมภายนอก;
- แยกอะเดียแบติก - ระบบที่ไม่แลกเปลี่ยนสสารกับสภาพแวดล้อมภายนอก แต่เข้าสู่การแลกเปลี่ยนพลังงาน
- ระบบปิด - ระบบที่ไม่แลกเปลี่ยนกับสสาร อนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงค่าพลังงานภายในเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
- ระบบเปิด - ระบบที่โดดเด่นด้วยการถ่ายโอนพลังงานและสสารโดยสมบูรณ์
- เปิดบางส่วน - มีพาร์ติชันแบบกึ่งซึมผ่านได้ดังนั้นจึงไม่ได้มีส่วนร่วมในการแลกเปลี่ยนวัสดุอย่างเต็มที่
ความหมายของแนวคิดทางอุณหพลศาสตร์สามารถแบ่งออกได้เป็นตัวเลือกที่ง่ายและซับซ้อน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสูตรผสม
พลังงานภายในของระบบทางอุณหพลศาสตร์
รูปที่ 2 พลังงานภายในของระบบอุณหพลศาสตร์ Author24 - แลกเปลี่ยนผลงานนักศึกษาออนไลน์
โน้ต 2
ตัวชี้วัดทางอุณหพลศาสตร์หลักซึ่งขึ้นอยู่กับมวลของระบบโดยตรงนั้นรวมถึงพลังงานภายในด้วย
รวมถึงพลังงานจลน์ที่เกิดจากการเคลื่อนไหว อนุภาคมูลฐานสารตลอดจนพลังงานศักย์ที่ปรากฏระหว่างปฏิกิริยาของโมเลกุลซึ่งกันและกัน พารามิเตอร์นี้ไม่คลุมเครือเสมอ นั่นคือ ความหมายและการตระหนักรู้ของพลังงานภายในจะคงที่เมื่อใดก็ตามที่แนวคิดอยู่ในสถานะที่ต้องการ โดยไม่คำนึงถึงวิธีการบรรลุตำแหน่งนี้
ในระบบที่องค์ประกอบทางเคมียังคงไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงาน เมื่อพิจารณาพลังงานภายใน สิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงเฉพาะพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคของวัสดุเท่านั้น
ตัวอย่างที่ดีของระบบดังกล่าวในอุณหพลศาสตร์ก็คือก๊าซในอุดมคติ พลังงานอิสระคืองานจำนวนหนึ่งที่ร่างกายสามารถทำได้ในกระบวนการเปลี่ยนกลับได้ของอุณหภูมิคงที่ หรือพลังงานอิสระแสดงถึงการทำงานสูงสุดที่เป็นไปได้ที่แนวคิดสามารถทำได้ โดยมีการจ่ายพลังงานภายในจำนวนมาก พลังงานภายในของระบบเท่ากับผลรวมของแรงดึงที่ถูกผูกไว้และแรงดึงอิสระ
คำจำกัดความ 2
พลังงานที่ถูกผูกไว้คือส่วนหนึ่งของพลังงานภายในที่ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นงานได้อย่างอิสระ - นี่เป็นองค์ประกอบที่ลดคุณค่าของพลังงานภายใน
ที่อุณหภูมิเดียวกัน พารามิเตอร์นี้จะเพิ่มขึ้นตามเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นเอนโทรปีของระบบอุณหพลศาสตร์จึงเป็นการวัดการจัดหาพลังงานเริ่มต้น ในอุณหพลศาสตร์มีคำจำกัดความอื่น - การสูญเสียพลังงานในระบบแยกที่เสถียร
กระบวนการผันกลับได้เป็นกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่สามารถดำเนินการได้อย่างรวดเร็วทั้งในทิศทางย้อนกลับและไปข้างหน้า โดยผ่านตำแหน่งกลางเดียวกัน โดยที่แนวคิดจะกลับคืนสู่สภาพเดิมในที่สุดโดยไม่ต้องสิ้นเปลืองพลังงานภายใน และไม่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดมหภาคเหลืออยู่โดยรอบ ช่องว่าง.
กระบวนการแบบพลิกกลับได้ให้ผลงานสูงสุด ที่สุด ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดไม่สามารถรับงานจากระบบในทางปฏิบัติได้ สิ่งนี้ให้นัยสำคัญทางทฤษฎีต่อปรากฏการณ์ที่ผันกลับได้ ซึ่งดำเนินไปอย่างช้าๆ ไม่มีที่สิ้นสุดและสามารถเข้าใกล้ได้ในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น
คำจำกัดความ 3
ในทางวิทยาศาสตร์ การย้อนกลับไม่ได้เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถดำเนินการในทิศทางตรงกันข้ามผ่านสถานะตัวกลางเดียวกันได้
ปรากฏการณ์ที่แท้จริงทั้งหมดไม่สามารถย้อนกลับได้ในทุกกรณี ตัวอย่างของผลกระทบดังกล่าว ได้แก่ การแพร่กระจายความร้อน การแพร่กระจาย การไหลแบบหนืด และการนำความร้อน การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์และพลังงานภายในของการเคลื่อนที่ด้วยตาเปล่าผ่านการเสียดสีคงที่ไปสู่ความร้อนซึ่งก็คือเข้าสู่ระบบเองนั้นเป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้
ตัวแปรสถานะของระบบ
สถานะของระบบทางอุณหพลศาสตร์สามารถกำหนดได้โดยการรวมกันของคุณลักษณะหรือคุณสมบัติของระบบในปัจจุบัน ตัวแปรใหม่ทั้งหมดที่ถูกกำหนดโดยสมบูรณ์ ณ จุดใดจุดหนึ่งเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับว่าแนวคิดมาถึงตำแหน่งนี้ได้อย่างไร เรียกว่าพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ของสถานะหรือฟังก์ชันพื้นฐานของอวกาศ
ในอุณหพลศาสตร์ ระบบจะถือว่าหยุดนิ่งหากค่าตัวแปรยังคงมีเสถียรภาพและไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป หนึ่งในตัวเลือกสำหรับสถานะคงที่คือสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ การเปลี่ยนแปลงแนวคิดใด ๆ แม้แต่ที่ไม่มีนัยสำคัญที่สุดก็เป็นกระบวนการทางกายภาพอยู่แล้วดังนั้นจึงสามารถมีตัวบ่งชี้สถานะตัวแปรได้ตั้งแต่หนึ่งถึงหลายตัว ลำดับที่สถานะของระบบแปลงเป็นกันและกันอย่างเป็นระบบเรียกว่า "เส้นทางกระบวนการ"
น่าเสียดายที่ความสับสนกับคำศัพท์และคำอธิบายโดยละเอียดยังคงมีอยู่ เนื่องจากตัวแปรเดียวกันในอุณหพลศาสตร์สามารถเป็นอิสระจากกันหรือเป็นผลมาจากการเพิ่มฟังก์ชันหลายอย่างของระบบพร้อมกัน ดังนั้น คำว่า "พารามิเตอร์สถานะ", "ฟังก์ชันสถานะ", "ตัวแปรสถานะ" บางครั้งจึงถือเป็นคำพ้องความหมายได้
ระบบอุณหพลศาสตร์- นี่เป็นส่วนหนึ่งของโลกวัตถุ ซึ่งแยกออกจากสิ่งแวดล้อมด้วยขอบเขตจริงหรือจินตภาพ และเป็นเป้าหมายของการศึกษาอุณหพลศาสตร์ สภาพแวดล้อมมีขนาดใหญ่กว่ามากดังนั้นการเปลี่ยนแปลงในนั้นจึงไม่มีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับการเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบ ไม่เหมือน ระบบเครื่องกลซึ่งประกอบด้วยหนึ่งหรือหลายวัตถุ ระบบอุณหพลศาสตร์ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก ซึ่งก่อให้เกิดคุณสมบัติใหม่ทั้งหมด และต้องใช้แนวทางที่แตกต่างกันในการอธิบายสถานะและพฤติกรรมของระบบดังกล่าว ระบบเทอร์โมไดนามิกส์คือ วัตถุมหภาค.
การจำแนกประเภทของระบบเทอร์โมไดนามิกส์
1. โดยองค์ประกอบ
ระบบอุณหพลศาสตร์ประกอบด้วยส่วนประกอบต่างๆ ส่วนประกอบ - เป็นสารที่สามารถแยกออกจากระบบและมีอยู่ภายนอกได้ เช่น ส่วนประกอบเป็นสารอิสระ
องค์ประกอบเดียว
สององค์ประกอบหรือไบนารี
สามองค์ประกอบ - สามเท่า
ส่วนประกอบหลายส่วน
2. โดยองค์ประกอบเฟส– เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน
เป็นเนื้อเดียวกัน ระบบมีคุณสมบัติในการมองเห็นระดับมหภาคเหมือนกัน ณ จุดใดๆ ในระบบ โดยหลักแล้วจะมีอุณหภูมิ ความดัน ความเข้มข้น และอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ดัชนีการหักเหของแสง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก โครงสร้างผลึก เป็นต้น ระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันประกอบด้วยเฟสเดียว
เฟสเป็นส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของระบบ แยกออกจากเฟสอื่นด้วยส่วนต่อประสาน และแสดงคุณลักษณะด้วยสมการสถานะของตัวเอง ระยะและสถานะของการรวมกลุ่มซ้อนทับกัน แต่ไม่ใช่แนวคิดที่เหมือนกัน การรวมตัวมีเพียง 4 สถานะเท่านั้น อาจมีขั้นตอนเพิ่มเติมอีกมากมาย
ต่างกันระบบประกอบด้วยอย่างน้อยสองเฟส
3. ตามประเภทของการเชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อม(ตามความเป็นไปได้ในการแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อม)
โดดเดี่ยวระบบไม่แลกเปลี่ยนพลังงานหรือสสารกับสิ่งแวดล้อม นี่เป็นระบบอุดมคติที่โดยหลักการแล้วไม่สามารถศึกษาด้วยการทดลองได้
ปิดระบบสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งแวดล้อมได้แต่ไม่แลกเปลี่ยนสสาร
เปิดระบบจะแลกเปลี่ยนทั้งพลังงานและสสาร
สภาพทีดีเอส
สภาพทีดีเอสคือผลรวมของคุณสมบัติมหภาคที่วัดได้ทั้งหมด ซึ่งจึงมีการแสดงออกเชิงปริมาณ ลักษณะที่มองเห็นด้วยตาเปล่าของคุณสมบัติหมายความว่าสามารถนำมาประกอบกับระบบโดยรวมเท่านั้น และไม่ใช่กับอนุภาคแต่ละตัวที่ประกอบเป็นโครงสร้างไบนารี่แบบปิด (T, p, V, c, U, n k) ลักษณะเชิงปริมาณของรัฐมีความเชื่อมโยงถึงกัน จึงมี ชุดขั้นต่ำลักษณะของระบบที่เรียกว่า พารามิเตอร์ ข้อกำหนดที่ช่วยให้เราสามารถอธิบายคุณสมบัติของระบบได้อย่างสมบูรณ์ จำนวนพารามิเตอร์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับประเภทของระบบ ในกรณีที่ง่ายที่สุด สำหรับระบบก๊าซที่เป็นเนื้อเดียวกันแบบปิดในสภาวะสมดุล ก็เพียงพอที่จะตั้งค่าพารามิเตอร์เพียง 2 ตัวเท่านั้น สำหรับระบบเปิด นอกเหนือจากคุณลักษณะ 2 ประการนี้ของระบบแล้ว ยังจำเป็นต้องระบุจำนวนโมลของแต่ละส่วนประกอบด้วย
ตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์แบ่งออกเป็น:
- ภายนอก, ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติและพิกัดของระบบในสภาพแวดล้อมและขึ้นอยู่กับการสัมผัสของระบบกับสภาพแวดล้อม เช่น มวลและจำนวนส่วนประกอบ ความแรงของสนามไฟฟ้า จำนวนตัวแปรดังกล่าวมีจำกัด
- ภายใน, ซึ่งระบุคุณลักษณะของระบบ เช่น ความหนาแน่น พลังงานภายใน จำนวนพารามิเตอร์ดังกล่าวไม่จำกัด
- กว้างขวาง,ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของระบบหรือจำนวนอนุภาค เช่น ปริมาตร พลังงาน เอนโทรปี ความจุความร้อน
-เข้มข้น, ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับมวลของระบบ เช่น อุณหภูมิ ความดัน
พารามิเตอร์ TDS มีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์ที่เรียกว่า สถานะสมการระบบ แบบฟอร์มทั่วไปของเขา ฉ(หน้า,วี , ที)= 0 งานที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของ FH คือการค้นหาสมการสถานะของระบบใดๆ จนถึงขณะนี้ สมการสถานะที่แน่นอนเป็นที่รู้จักกันเฉพาะสำหรับก๊าซในอุดมคติเท่านั้น (สมการของ Clapeyron-Mendeleev)
พีวี = nRT, ( 1.1)
ที่ไหน ร– ค่าคงที่ก๊าซสากล = 8.314 J/(mol.K)
[p] = Pa, 1 atm = 1.013*10 5 Pa = 760 มม. ปรอท
[V] = m3, [T] = K, [n] = โมล, N = 6.02*1023 โมล-1 สมการนี้อธิบายก๊าซจริงได้โดยประมาณเท่านั้น และยิ่งความดันสูงและอุณหภูมิต่ำลง ค่าเบี่ยงเบนจาก สมการที่กำหนดเงื่อนไข.
แยกแยะ สมดุลและ ไม่มีความสมดุลสถานะของ TDS
อุณหพลศาสตร์แบบคลาสสิกมักถูกจำกัดอยู่เพียงการพิจารณาสภาวะสมดุลของระบบไบนารี่แบบปิด สมดุล - นี่คือสถานะที่ TDS เกิดขึ้นเองและสามารถดำรงอยู่ได้อย่างไม่มีกำหนดหากไม่มีอิทธิพลจากภายนอก ในการกำหนดสถานะสมดุล จำเป็นต้องใช้พารามิเตอร์จำนวนน้อยกว่าสำหรับระบบที่ไม่มีความสมดุลเสมอ
สภาวะสมดุลแบ่งออกเป็น:
- ที่ยั่งยืน(คงที่) สถานะซึ่งผลกระทบเล็กน้อยทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะเพียงเล็กน้อย และเมื่อผลกระทบนี้ถูกกำจัด ระบบจะกลับสู่สถานะดั้งเดิม
- แพร่กระจายได้สภาวะที่อิทธิพลสุดท้ายบางประการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขั้นสุดท้ายในสถานะซึ่งจะไม่หายไปเมื่ออิทธิพลเหล่านี้ถูกกำจัดออกไป
เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบร่างกายปิดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์อย่างน้อยหนึ่งตัว กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์. ลักษณะเฉพาะของคำอธิบายของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์คือไม่ได้มีลักษณะเฉพาะโดยอัตราการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ แต่ตามขนาดของการเปลี่ยนแปลง กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์คือลำดับสถานะของระบบที่เริ่มจากชุดพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ชุดเริ่มต้นไปจนถึงสถานะสุดท้าย กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
- โดยธรรมชาติ, สำหรับการดำเนินการที่คุณไม่จำเป็นต้องใช้พลังงาน
- ไม่เกิดขึ้นเอง, เกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีการใช้พลังงานเท่านั้น
- กลับไม่ได้(หรือไม่มีความสมดุล) - เมื่อเป็นผลมาจากกระบวนการจึงไม่สามารถคืนระบบกลับสู่สถานะดั้งเดิมได้
-ย้อนกลับได้ - เหล่านี้เป็นกระบวนการในอุดมคติที่ส่งต่อไปข้างหน้าและย้อนกลับผ่านสถานะกลางเดียวกัน และหลังจากเสร็จสิ้นวงจรจะไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงทั้งในระบบหรือในสภาพแวดล้อม
ฟังก์ชั่นสถานะ– สิ่งเหล่านี้เป็นคุณลักษณะของระบบที่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของสถานะเท่านั้น แต่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิธีการบรรลุผล
หน้าที่ของรัฐมีลักษณะเฉพาะคือ คุณสมบัติดังต่อไปนี้:
การเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันที่ไม่มีที่สิ้นสุด ฉคือผลต่างรวม ดีเอฟ;
การเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันเมื่อเปลี่ยนจากสถานะ 1 เป็นสถานะ 2 จะถูกกำหนดโดยสถานะเหล่านี้เท่านั้น ∫ df = ฉ 2 – ฉ 1
จากผลของกระบวนการแบบวนรอบใดๆ ฟังก์ชันสถานะจะไม่เปลี่ยนแปลง เช่น เท่ากับศูนย์
ความร้อนและการทำงาน– วิธีการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่าง RDS และสิ่งแวดล้อม ความร้อนและงานเป็นคุณลักษณะของกระบวนการ ไม่ใช่หน้าที่ของรัฐ
งาน- รูปแบบหนึ่งของการแลกเปลี่ยนพลังงานในระดับมหภาคเมื่อมีการเคลื่อนที่โดยตรงของวัตถุ งานจะถือว่าเป็นบวกหากระบบทำกับแรงภายนอก
ความร้อน– รูปแบบการแลกเปลี่ยนพลังงานในระดับจุลภาค เช่น ในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่อันวุ่นวายของโมเลกุล เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าความร้อนที่ระบบได้รับและงานที่ทำนั้นเป็นค่าบวกเช่น “หลักการอัตตานิยม” ดำเนินไป .
หน่วยพลังงานและงานที่ใช้บ่อยที่สุด โดยเฉพาะในอุณหพลศาสตร์ คือ SI จูล (J) และหน่วยแคลอรี่ที่ไม่เป็นระบบ (1 cal = 4.18 J)
ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัตถุนั้นก็มี ประเภทต่างๆทำงาน:
1. เครื่องกล - การเคลื่อนไหวของร่างกาย
dA ขน = - F เช่น dl(2.1)
งาน - ผลิตภัณฑ์สเกลาร์เวกเตอร์ 2 ตัวของแรงและการกระจัด เช่น
|dA ขน | = เอฟ ดล เพราะα. หากทิศทางของแรงภายนอกอยู่ตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของแรงภายใน เพราะα < 0.
2. การดำเนินการขยาย (มักพิจารณาการขยายตัวของก๊าซ)
ดีเอ = - พี ดีวี (1.7)
อย่างไรก็ตาม จะต้องจำไว้ว่านิพจน์นี้ใช้ได้สำหรับกระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้เท่านั้น
3. ไฟฟ้า - ความเคลื่อนไหว ค่าไฟฟ้า
ดีเอ เอล = -jdq,(2.2)
ที่ไหน เจ-ศักย์ไฟฟ้า.
4. ผิวเผิน - เปลี่ยน พื้นที่ผิว,
พื้นผิวดีเอ = -sdS,(2.3)
ที่ไหน ส-แรงตึงผิว.
5. สำนวนทั่วไปในการทำงาน
ดีเอ = - Ydx,(2.4)
ย– แรงทั่วไป ดีเอ็กซ์-ประสานงานทั่วไปจึงถือว่างานเป็น ผลคูณของปัจจัยเข้มข้นและการเปลี่ยนแปลงของปัจจัยอย่างกว้างขวาง
6. งานทุกประเภท ยกเว้นงานขยายเรียกว่า มีประโยชน์ งาน (ดีเอ'). dA = рdV + dА’ (2.5)
7. โดยการเปรียบเทียบ เราสามารถแนะนำแนวคิดนี้ได้ เคมี ทำงานเมื่อมีการเคลื่อนที่ในทิศทาง เค-โอ้ สารเคมี, ไม่เป็นไร– คุณสมบัติกว้างขวางในขณะที่พารามิเตอร์เข้มข้น ม.เคเรียกว่าศักยภาพทางเคมี เค-สารที่
dA เคมี = -Sm k dn k. (2.6)
ระบบอุณหพลศาสตร์คือระบบทางกายภาพใดๆ ที่ประกอบด้วย จำนวนมากอนุภาค - อะตอมและโมเลกุลที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างไม่มีที่สิ้นสุดและแลกเปลี่ยนพลังงานซึ่งกันและกัน ระบบทางอุณหพลศาสตร์และสิ่งที่ง่ายที่สุดคือก๊าซ โมเลกุลที่ทำการเคลื่อนที่แบบแปลนและแบบหมุนแบบสุ่ม และแลกเปลี่ยนพลังงานจลน์ระหว่างการชน ของแข็งยังเป็นระบบทางอุณหพลศาสตร์อีกด้วย
และสารที่เป็นของเหลว โมเลกุล ของแข็งสร้างความผันผวนแบบสุ่มรอบตำแหน่งสมดุล การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างโมเลกุลเกิดขึ้นเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องซึ่งเป็นผลมาจากการที่การกระจัดของโมเลกุลหนึ่งจากตำแหน่งสมดุลจะสะท้อนให้เห็นทันทีในตำแหน่งและความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลกลาง เนื่องจากพลังงานเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลตามสูตร (1.7) และ (1.8) มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิ อุณหภูมิจึงเป็นสิ่งสำคัญที่สุด ปริมาณทางกายภาพที่แสดงลักษณะเฉพาะสถานะต่างๆ ของระบบเทอร์โมไดนามิกส์ นอกเหนือจากอุณหภูมิแล้ว สถานะของระบบดังกล่าวยังถูกกำหนดโดยปริมาตรที่ระบบครอบครองและความดันภายนอกหรือแรงภายนอกที่กระทำต่อระบบอีกด้วย
คุณสมบัติที่สำคัญของระบบอุณหพลศาสตร์คือการดำรงอยู่ของสภาวะสมดุลซึ่งสามารถคงอยู่ได้เป็นเวลานานโดยพลการ หากระบบเทอร์โมไดนามิกส์อยู่ในสภาวะสมดุลสภาวะใดสภาวะหนึ่งจะอยู่ภายใต้สภาวะบางอย่าง อิทธิพลภายนอกแล้วหยุดมัน ระบบจะเปลี่ยนไปสู่สภาวะสมดุลใหม่ตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ควรเน้นย้ำว่าแนวโน้มที่จะเปลี่ยนไปสู่สภาวะสมดุลนั้นดำเนินไปอย่างต่อเนื่องเสมอ แม้ในช่วงเวลาที่ระบบสัมผัสกับอิทธิพลจากภายนอก แนวโน้มนี้หรือที่แม่นยำกว่านั้นคือการดำรงอยู่อย่างต่อเนื่องของกระบวนการที่นำไปสู่ความสำเร็จของสภาวะสมดุลก็คือ คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดระบบอุณหพลศาสตร์
สำหรับก๊าซที่อยู่ในภาชนะบางชนิด สมดุลคือสภาวะที่อุณหภูมิ ความดัน และความหนาแน่น (หรือจำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตร) ภายในปริมาตรของก๊าซจะเท่ากันทุกที่ หากเกิดความร้อนหรือแรงอัดเฉพาะที่ ณ ตำแหน่งใดๆ ในปริมาตรนี้ กระบวนการปรับอุณหภูมิและความดันให้เท่ากันจะเริ่มขึ้นในระบบ กระบวนการนี้จะยังคงเกิดขึ้นต่อไปตราบเท่าที่มีอิทธิพลภายนอก แต่หลังจากสิ้นสุดอิทธิพลนี้แล้วเท่านั้น กระบวนการปรับสมดุลจะนำระบบไปสู่สถานะสมดุลใหม่
สถานะของระบบเทอร์โมไดนามิกส์แบบแยกเดี่ยว ซึ่งแม้จะไม่มีอิทธิพลจากภายนอก แต่ก็ไม่คงอยู่ในช่วงเวลาจำกัด เรียกว่า ไม่มีสมดุล ระบบซึ่งเริ่มแรกอยู่ในสถานะไม่สมดุลจะผ่านเข้าสู่สภาวะสมดุลเมื่อเวลาผ่านไป เวลาที่เปลี่ยนจากสภาวะไม่สมดุลไปสู่สภาวะสมดุลเรียกว่าเวลาในการผ่อนคลาย การเปลี่ยนแบบย้อนกลับจากสถานะสมดุลไปเป็นสถานะไม่สมดุลสามารถดำเนินการได้โดยใช้อิทธิพลภายนอกที่มีต่อระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สถานะของระบบที่มีอุณหภูมิต่างกันในสถานที่ต่างกันนั้นไม่สมดุล การปรับสมดุลอุณหภูมิในก๊าซ ของแข็ง และของเหลวเป็นการเปลี่ยนวัตถุเหล่านี้ไปสู่สภาวะสมดุลโดยมีอุณหภูมิเท่ากันภายในปริมาตรของร่างกาย อีกตัวอย่างหนึ่งของสถานะที่ไม่สมดุลสามารถให้ได้โดยการพิจารณาระบบสองเฟสที่ประกอบด้วยของเหลวและไอของมัน หากมีไอไม่อิ่มตัวเหนือพื้นผิวของของเหลวในภาชนะปิด สถานะของระบบจะไม่สมดุล: จำนวนโมเลกุลที่หนีออกจากของเหลวต่อหน่วยเวลามากกว่าจำนวน
โมเลกุลที่เปลี่ยนจากไอเป็นของเหลวในเวลาเดียวกัน เป็นผลให้เมื่อเวลาผ่านไป จำนวนโมเลกุลในสถานะไอจะเพิ่มขึ้น (เช่น ความหนาแน่นของไอเพิ่มขึ้น) จนกระทั่งมีการสร้างสถานะสมดุลด้วย
การเปลี่ยนจากสถานะไม่สมดุลไปเป็นสภาวะสมดุลโดยส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง และความเร็วของการเปลี่ยนแปลงสามารถปรับได้อย่างราบรื่นโดยใช้อิทธิพลจากภายนอกที่เหมาะสม ทำให้กระบวนการผ่อนคลายไม่ว่าจะเร็วมากหรือช้ามาก ตัวอย่างเช่น การกวนเชิงกลจะช่วยเพิ่มอัตราการปรับอุณหภูมิในของเหลวหรือก๊าซให้เท่ากันได้อย่างมาก การทำให้ของเหลวเย็นลงจะทำให้กระบวนการแพร่กระจายของสารที่ละลายในของเหลวนั้นช้ามาก เป็นต้น
สำหรับบางระบบ มีสถานะที่เรียกว่า metastable ซึ่งระบบเหล่านี้ค่อนข้างจะค่อนข้าง เป็นเวลานานแต่ทันทีที่อิทธิพลภายนอกของธรรมชาติบางอย่างเกิดขึ้นกับระบบ การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันไปสู่สภาวะสมดุลก็เกิดขึ้น ในกรณีเหล่านี้ อิทธิพลภายนอกเพียงแต่เปิดโอกาสให้เปลี่ยนไปสู่สภาวะสมดุลเท่านั้น ยกตัวอย่างก็พอแล้ว น้ำบริสุทธิ์ด้วยการจ่ายความร้อนช้าก็สามารถให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดได้หลายองศา สถานะของน้ำนี้สามารถแพร่กระจายได้ หากคุณเขย่าน้ำดังกล่าว (หรือเพิ่มอนุภาคฝุ่นจำนวนเล็กน้อยซึ่งเป็นศูนย์กลางของการก่อตัวของฟองไอน้ำ) น้ำนั้นจะเดือดอย่างระเบิดและอุณหภูมิจะลดลงจนถึงจุดเดือดทันที ดังนั้นสถานะ metastable จึงมีลักษณะของความจริงที่ว่าเมื่อถูกลบออกจากสถานะนี้ระบบไม่เพียง แต่ไม่กลับไปสู่สถานะนั้น แต่ในทางกลับกันจะเคลื่อนตัวออกห่างจากมันมากยิ่งขึ้นโดยกระโดดเข้าสู่สถานะสมดุลที่มีอยู่สำหรับระบบนี้
อุณหพลศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษารูปแบบทั่วไปของกระบวนการควบคู่ไปกับการปลดปล่อย การดูดซับ และการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน อุณหพลศาสตร์เคมีศึกษาการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของพลังงานเคมีและรูปแบบอื่น ๆ เช่น ความร้อน แสง ไฟฟ้า ฯลฯ สร้างกฎเชิงปริมาณของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ และยังทำให้สามารถทำนายความเสถียรของสารได้ที่ เงื่อนไขที่กำหนดและความสามารถในการทำปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง วัตถุประสงค์ของการพิจารณาทางอุณหพลศาสตร์เรียกว่าระบบทางอุณหพลศาสตร์หรือเรียกง่ายๆ ว่าระบบ
ระบบ- วัตถุธรรมชาติใด ๆ ที่ประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมาก ( หน่วยโครงสร้าง) และแยกออกจากวัตถุธรรมชาติอื่น ๆ ด้วยพื้นผิวขอบเขตจริงหรือจินตภาพ (ส่วนต่อประสาน)
สถานะของระบบคือชุดของคุณสมบัติของระบบที่ช่วยให้เราสามารถกำหนดระบบจากมุมมองของอุณหพลศาสตร์
ประเภทของระบบอุณหพลศาสตร์:
ฉัน. โดยธรรมชาติของการแลกเปลี่ยนสสารและพลังงานกับสิ่งแวดล้อม:
1. ระบบแยก - ไม่แลกเปลี่ยนสสารหรือพลังงานกับสิ่งแวดล้อม (Δm = 0; ΔE = 0) - กระติกน้ำร้อน
2. ระบบปิด - ไม่แลกเปลี่ยนสสารกับสิ่งแวดล้อม แต่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานได้ (ขวดปิดที่มีรีเอเจนต์)
3. ระบบเปิด - สามารถแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อมทั้งสสารและพลังงาน (ร่างกายมนุษย์)
ครั้งที่สอง ตามสถานะของการรวมตัว:
1. เป็นเนื้อเดียวกัน - ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันทั้งทางกายภาพและทางร่างกาย คุณสมบัติทางเคมีระหว่างการเปลี่ยนจากพื้นที่หนึ่งไปอีกระบบหนึ่ง (ประกอบด้วยเฟสเดียว)
2. ต่างกัน - ระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันตั้งแต่สองระบบขึ้นไปในหนึ่งเดียว (ประกอบด้วยสองเฟสขึ้นไป)
เฟส- นี่เป็นส่วนหนึ่งของระบบ เป็นเนื้อเดียวกันทุกจุดในองค์ประกอบและคุณสมบัติ และแยกออกจากส่วนอื่นๆ ของระบบด้วยอินเทอร์เฟซ ตัวอย่างของระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันคือสารละลายที่เป็นน้ำ แต่หากสารละลายอิ่มตัวและมีผลึกเกลือที่ด้านล่างของภาชนะ ระบบที่พิจารณาจะไม่เหมือนกัน (มีขอบเขตเฟส) อีกตัวอย่างหนึ่งของระบบเอกพันธ์ก็คือ น้ำเปล่าแต่น้ำที่มีน้ำแข็งลอยอยู่ในนั้นเป็นระบบที่ต่างกัน
การเปลี่ยนเฟส- การเปลี่ยนสถานะ (การละลายน้ำแข็ง, การต้มน้ำ)
กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์- การเปลี่ยนแปลงของระบบอุณหพลศาสตร์จากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งซึ่งสัมพันธ์กับความไม่สมดุลของระบบเสมอ
การจำแนกประเภทของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์:
7. อุณหภูมิคงที่ - อุณหภูมิคงที่– T = ค่าคงที่
8. ไอโซบาริก - ความดันคงที่– พี = ค่าคงที่
9. ไอโซคอริก - ปริมาตรคงที่ – V = const
สภาพมาตรฐานคือสถานะของระบบที่เลือกอย่างมีเงื่อนไขเพื่อเป็นมาตรฐานในการเปรียบเทียบ
สำหรับ เฟสแก๊ส- นี่คือสถานะของสารเคมีบริสุทธิ์ในเฟสก๊าซภายใต้ความดันมาตรฐาน 100 kPa (จนถึงปี 1982 - 1 บรรยากาศมาตรฐาน 101,325 Pa, 760 มม. ปรอท) แสดงถึงคุณสมบัติก๊าซในอุดมคติ
สำหรับ เฟสบริสุทธิ์ของผสมหรือตัวทำละลายในสถานะรวมของเหลวหรือของแข็งคือสถานะของสารบริสุทธิ์ทางเคมีในสถานะของเหลวหรือของแข็งภายใต้ความดันมาตรฐาน
สำหรับ สารละลาย- นี่คือสถานะของสารที่ละลายซึ่งมีโมลาลิตีมาตรฐาน 1 โมล/กก. ภายใต้ความดันมาตรฐานหรือความเข้มข้นมาตรฐาน ตามเงื่อนไขที่สารละลายเจือจางอย่างไม่สิ้นสุด
สำหรับ สารบริสุทธิ์ทางเคมี- นี่คือสารที่อยู่ในสถานะการรวมกลุ่มที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนภายใต้แรงกดดันมาตรฐานที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน แต่เป็นไปตามอำเภอใจ
ในความหมาย สภาพมาตรฐาน ไม่รวมอุณหภูมิมาตรฐานแม้ว่าพวกเขาจะพูดถึงอุณหภูมิมาตรฐานบ่อยๆ ซึ่งก็คือ 25 ° C (298.15 K)
2.2. แนวคิดพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์: พลังงานภายใน งาน ความร้อน
พลังงานภายใน U- ปริมาณพลังงานทั้งหมด ได้แก่ การเคลื่อนที่ของโมเลกุล การสั่นของพันธะ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน นิวเคลียส เป็นต้น กล่าวคือ พลังงานทุกประเภท ยกเว้นพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ระบบโดยรวม
ไม่สามารถระบุมูลค่าของพลังงานภายในของระบบใด ๆ ได้ แต่เป็นไปได้ที่จะระบุการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน ΔU ที่เกิดขึ้นในกระบวนการใดกระบวนการหนึ่งระหว่างการเปลี่ยนระบบจากสถานะหนึ่ง (ด้วยพลังงาน U 1) ไปยังอีกสถานะหนึ่ง (มีพลังงาน U 2):
∆U ขึ้นอยู่กับชนิดและปริมาณของสารที่เป็นปัญหาและสภาวะการดำรงอยู่ของสารนั้น
พลังงานภายในทั้งหมดของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาแตกต่างจากพลังงานภายในทั้งหมดของสารตั้งต้นเพราะว่า ในระหว่างปฏิกิริยาจะเกิดการปรับโครงสร้างของเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมของโมเลกุลที่มีปฏิสัมพันธ์กัน