Termodynamika je základná oblasť fyziky, ktorá sa zaoberá vzťahmi medzi teplom, prácou, teplotou a energiou. Študuje, ako sa energia v systéme mení, ako sa prenáša medzi rôznymi formami a aké sú možnosti vykonania užitočnej práce v systéme. Termodynamika ukázala, že teplo je formou energie (tepelná energia), ktorá môže byť priamo premenená na mechanickú prácu.
Na diskusiu o chemickej termodynamike je potrebné jasne definovať systém a jeho okolie. Systém je časť hmoty so špecifickými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, ktorá je od okolia oddelená stenami. Okolie je zvyšok vesmíru, ktorý je mimo systému. Príklady systému zahŕňajú kadičku naplnenú vodou, valec s plynom alebo biologickú bunku.
Systémy môžu byť klasifikované podľa ich interakcie s okolím:
- Otvorený systém: Môže vymieňať hmotu aj energiu s okolím.
- Uzavretý systém: Hmota sa nemôže vymieňať, napríklad uzavretá banka. Výmena energie je však možná.
- Adiabatický systém: Nevymieňa si hmotu ani teplo, ale môže si vymieňať iné formy energie.
- Izolovaný systém: Nevymieňa si ani hmotu, ani energiu s okolím.
Systémy môžu obsahovať nielen jeden alebo viac komponentov, ale aj jednu alebo viac fáz. V systéme sa fáza vzťahuje na jeho časť, v ktorej sú fyzikálne a chemické vlastnosti jednotné. Vo viacfázových systémoch sú viditeľné rozhrania. Najjednoduchším príkladom rôznych fáz je voda v troch rôznych skupenstvách: kvapalné, plynné a pevné.
Základné termodynamické funkcie a zákony
Uvedené parametre určujú základné hodnoty termodynamických funkcií, špecifické pre systémy a procesy. Patria sem: vnútorná energia (U), entalpia (H), entropia (S), voľná energia (F), voľná entalpia (G) a ich deriváty. V prípade jednozložkového systému obsahujúceho 1 mól látky sa tieto hodnoty týkajú molárnych termodynamických funkcií označených dodatočným písmenom „m“ v dolnom indexe.
Nultý termodynamický zákon
Nultý termodynamický zákon hovorí, že teleso v termodynamickej rovnováhe má všade rovnakú teplotu. Preto zákon predpokladá existenciu empirickej teploty, ktorá je v systéme rovnaká pre všetky jeho časti, ktoré si môžu vymieňať teplo. Nultý termodynamický zákon je tranzitívny. Ak sú dva systémy v teplotnej rovnováhe s tretím systémom, sú v rovnováhe aj medzi sebou. Tento zákon definuje koncept teploty a umožňuje jej meranie. Je známy aj ako „nultý“ zákon termodynamiky, hoci bol prijatý ako posledný.
Prvý termodynamický zákon (Zákon zachovania energie)
Prvý termodynamický zákon vyjadruje zákon zachovania energie v termodynamickom systéme. Energia nemôže byť vytvorená ani zničená, iba sa mení z jednej formy na druhú. Vnútorná energia systému sa môže meniť v dôsledku výmeny práce a tepla s okolím. Akákoľvek práca a teplo pridané do systému zvyšujú jeho energiu, preto musia mať kladné hodnoty (Q>0, W>0). Naproti tomu všetky činnosti, ktoré znižujú energiu systému (vykonaná práca alebo teplo vyžarované do okolia) sú zaznamenané ako záporné hodnoty (Q<0, W<0).
Prvý termodynamický zákon má veľké užitie pri popise dejov v ideálnom plyne. Vnútorná energia je súčet energií hmoty obsiahnutej v systéme, medzi ktoré patrí okrem iného kinetická energia a rotačná energia, energia vibrácií atómu, pohybu elektrónov alebo atómových väzieb. Vnútorná energia je rozsiahly parameter, ktorý je definovaný stavom systému, teda jeho teplotou, tlakom a počtom mólov jeho komponentov. Ak analyzujeme uzavretý systém, v ktorom parametre teploty a tlaku zostávajú konštantné (T, V=konst), hodnota vnútornej energie je súčinom počtu mólov a molárnej vnútornej energie.
Entalpia je dôležitá termodynamická funkcia, ktorá je definovaná ako súčet vnútornej energie a súčinu tlaku a objemu. To znamená, že závisí od nezávislých parametrov, ktoré charakterizujú stav systému. Je to rozšíriteľné množstvo, teda je aditívne. Ak sú parametre p a T uzavretého systému konštantné, entalpia je súčinom počtu mólov látky a jej molárnej entalpie. Dôležité je, že v ukončenom procese zmena entalpie závisí len od počiatočného stavu (H initial ) a finálneho stavu (H final ), pričom priebeh procesu je irelevantný.
Prvý termodynamický zákon, základný úvod - Vnútorná energia, teplo a práca - Chémia
Druhý termodynamický zákon
Druhý zákon termodynamiky zavádza pojem entropia, čo je miera neusporiadanosti systému. Druhý zákon tvrdí, že entropia izolovaného systému nikdy neklesá - vždy buď rastie, alebo zostáva rovnaká. Tento princíp určuje smer termodynamických procesov v prírode. Predpokladá, že všetky javy prebiehajú rovnakým nezvratným smerom. V izolovanom systéme existuje funkcia stavu nazývaná entropia (S), ktorá v priebehu času neklesá. Entropia je mierou neusporiadaného systému a podľa druhého zákona termodynamiky izolovaný systém spontánnymi procesmi smeruje k stavom, ktoré sú postupne menej usporiadané.
Druhý zákon termodynamiky vyjadruje základné princípy obmedzení v procesoch premeny tepla na prácu. Teplo nemôže spontánne prechádzať z chladnejšieho miesta na teplejšie. Nie je možné zostrojiť perpetuum mobile druhého druhu. To znamená, že neexistuje tepelný stroj, ktorý by pracoval cyklicky, prijímal teplo z teplejšieho telesa a premieňal toto teplo plne na prácu bez ďalších vplyvov. Nemožno vytvoriť zariadenie, ktoré by pracovalo cyklicky a prenášalo teplo z chladnejšieho miesta na teplejšie bez toho, aby nevytváralo iný efekt.
Tretí termodynamický zákon
Tretí zákon termodynamiky, známy aj ako Nernstov zákon, hovorí o správaní systémov pri dosahovaní absolútnej nuly, teda pri teplote 0 kelvinov (−273,15 °C). Tento zákon uvádza, že pri dosiahnutí absolútnej nuly (0 K) entropia dokonale usporiadaného kryštálu dosahuje nulovú hodnotu. Entropia sa pri absolútnej nule blíži k nule: Pre dokonale usporiadané systémy, ako je kryštál, je na absolútnej nule entropia nulová, pretože v tomto stave neexistuje žiadna neusporiadanosť alebo rozptyl energie. Tretí zákon tiež implikuje, že nie je možné dosiahnuť absolútnu nulu v konečnom počte krokov.
Termodynamické procesy
Počas fyzikálno-chemických procesov sa počiatočné parametre systému menia. Po dokončení procesu je možné ich obnoviť, ak dôjde k reverznej reakcii. Systém sa tak vráti na pôvodné hodnoty, tj proces je reverzibilný. Ak sa však množstvo hmoty, tepla alebo práce vymenené s okolím počas reakcie navzájom nevyrovná, keď sa reakcia skončí, potom sa proces považuje za nezvratný. Môže postupovať len jedným smerom, kým sa nevyčerpá aspoň jeden substrát. Procesy môžu byť aj spontánne (kde prebiehajú na úkor energie systému) alebo indukované (kde je potrebné získavať energiu z okolia).
Ak medzi systémom a okolím nie sú žiadne silové alebo energetické gradienty a parametre systému zostanú nezmenené, systém sa považuje za rovnovážny.
Špecifické termodynamické deje
- Izochorický dej: Dej, pri ktorom nedochádza k zmene objemu (V=konst). Zmena vnútornej energie sústavy pri izochorickom deji je teda rovná vymenemému teplu.
- Izotermický dej: Dej, pri ktorom nedochádza k zmene teploty (T=konst). Pri izotermickom deji nedochádza ku zmene vnútornej energie, ale dochádza ku výmene energie vo forme tepla aj práce.
- Izobarický dej: Dej, pri ktorom nedochádza k zmene tlaku (p=konst). Pre objemovú prácu vykonanú pri izobarickom deji platí: W = p * ΔV. Zmena entalpie pri izobarickom deji je rovná vymenenému teplu.
- Adiabatický dej: Dej, pri ktorom nedochádza k tepelnej výmene s okolím (Q=0). Pri adiabatickom stlačovaní plynu sa zvyšuje teplota a vnútorná energia. Pri adiabatickom rozpínaní sa teplota a vnútorná energia znižuje.
Význam termodynamiky
Termodynamika sa uplatňuje v širokej škále oblastí, od inžinierstva a chémie po biologické procesy a ekonómiu. Napríklad v energetike sa termodynamické princípy používajú na zlepšenie účinnosti elektrární alebo motorov. Poskytuje základ pre pochopenie, ako fungujú energetické systémy, čo je nevyhnutné pre vývoj nových technológií, napríklad v oblasti obnoviteľných zdrojov energie.
tags: #zakon #zachovania #energie #uniba #termodynamika
