Термодинамика - Thermodynamics

Аннотированная цветная версия оригинала 1824 г. Тепловой двигатель Карно с изображением горячего тела (котла), рабочего тела (системы, пара) и холодного тела (воды) буквами, обозначенными в соответствии с точками остановки в Цикл Карно.

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (вступление ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${displaystyle c =}$ ${displaystyle T}$ ${displaystyle partial S}$ ${displaystyle N}$ ${displaystyle partial T}$ Сжимаемость   ${displaystyle eta = -}$ ${displaystyle 1}$ ${displaystyle partial V}$ ${displaystyle V}$ ${displaystyle partial p}$ Тепловое расширение   ${displaystyle alpha =}$ ${displaystyle 1}$ ${displaystyle partial V}$ ${displaystyle V}$ ${displaystyle partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${displaystyle A (T, V) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации "Экспериментальное расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила огня " Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория

Термодинамика это филиал физика это касается высокая температура, работай, и температура, и их отношение к энергия, радиация, и физические свойства иметь значение. Поведение этих величин определяется четырьмя законы термодинамики которые передают количественное описание с использованием измеримых макроскопических физические величины, но можно объяснить с точки зрения микроскопический составляющими статистическая механика. Термодинамика применяется к широкому кругу вопросов в наука и инженерное дело, особенно физическая химия, химическая инженерия и машиностроение, но также и в других сложных областях, таких как метеорология.

Исторически термодинамика развивалась из стремления увеличить эффективность раннего Паровые двигатели, в частности, благодаря работам французского физика Николя Леонар Сади Карно (1824), который считал, что эффективность двигателя является ключом, который может помочь Франции выиграть Наполеоновские войны.^[1] Шотландский-ирландский физик Лорд Кельвин был первым, кто сформулировал краткое определение термодинамики в 1854 г.^[2] в котором говорилось: «Термодинамика является предметом отношения тепла к силам, действующим между смежными частями тел, а также отношения тепла к электрическому действию».

Первоначальное применение термодинамики к механические тепловые двигатели быстро распространился на изучение химических соединений и химических реакций. Химическая термодинамика изучает природу роли энтропия в процессе химические реакции и обеспечил большую часть расширения и знаний в этой области.^{[3][4][5][6][7][8][9][10][11]} Возникли и другие формулировки термодинамики. Статистическая термодинамика, или статистическая механика, занимается статистический предсказания коллективного движения частиц на основании их микроскопического поведения. В 1909 г. Константин Каратеодори представил чисто математический подход в аксиоматический формулировка, описание часто упоминается как геометрическая термодинамика.

Вступление

Описание любой термодинамической системы использует четыре законы термодинамики которые составляют аксиоматическую основу. Первый закон указывает, что между физическими системами можно обмениваться энергией как высокая температура и работай.^[12] Второй закон определяет существование величины, называемой энтропия, который описывает термодинамически направление, в котором система может развиваться, и количественно определяет состояние порядка системы, и который может использоваться для количественной оценки полезной работы, которую можно извлечь из системы.^[13]

В термодинамике изучаются и классифицируются взаимодействия между большими ансамблями объектов. Центральное место в этом занимает концепции термодинамической система и это окружение. Система состоит из частиц, средние движения которых определяют ее свойства, и эти свойства, в свою очередь, связаны друг с другом через уравнения состояния. Свойства можно комбинировать, чтобы выразить внутренняя энергия и термодинамические потенциалы, которые полезны для определения условий равновесие и спонтанные процессы.

С помощью этих инструментов термодинамика может использоваться для описания того, как системы реагируют на изменения в окружающей среде. Это может быть применено к широкому кругу тем в наука и инженерное дело, Такие как двигатели, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса, и даже черные дыры. Результаты термодинамики существенны и для других областей науки. физика и для химия, химическая инженерия, коррозионная инженерия, аэрокосмическая техника, машиностроение, клеточная биология, биомедицинская инженерия, материаловедение, и экономика, назвать несколько.^[14][15]

В данной статье основное внимание уделяется классической термодинамике, которая в первую очередь изучает системы в термодинамическое равновесие. Неравновесная термодинамика часто рассматривается как расширение классической трактовки, но статистическая механика внесла много изменений в эту область.

В термодинамики представитель восьми первоначальных школ термодинамики. Школы, оказавшие наиболее продолжительное влияние на создание современных версий термодинамики, - это Берлинская школа, в частности, созданная в Рудольф Клаузиус Учебник 1865 г. Механическая теория тепла, Венская школа, с статистическая механика из Людвиг Больцманн, и Гиббсовская школа Йельского университета, американский инженер Уиллард Гиббс ' 1876 О равновесии неоднородных веществ. запуск химическая термодинамика.^[16]

История

В история термодинамики как научная дисциплина обычно начинается с Отто фон Герике который в 1650 году построил и спроектировал первый в мире вакуумный насос и продемонстрировал вакуум используя его Магдебургские полушария. Герике был вынужден создать вакуум, чтобы опровергнуть Аристотель давнее предположение, что «природа не терпит пустоты». Вскоре после Герике, англо-ирландский физик и химик Роберт Бойл узнал о замыслах Герике и в 1656 г. в сотрудничестве с английским ученым Роберт Гук, построил воздушный насос.^[17] Используя этот насос, Бойл и Гук заметили корреляцию между давление, температура, и объем. Во время, Закон Бойля был сформулирован, в котором говорится, что давление и объем обратно пропорциональный. Затем, в 1679 году, основываясь на этих концепциях, сотрудник Бойля назвал Денис Папин построил паровой варочный котел, который представлял собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающей пар до тех пор, пока не было создано высокое давление.

В более поздних конструкциях был реализован паровой выпускной клапан, который предохранял машину от взрыва. Наблюдая за ритмичным перемещением клапана вверх и вниз, Папен придумал идею поршень и цилиндровый двигатель. Однако он не довел до конца свой план. Тем не менее в 1697 г., по проекту Папена, инженер Томас Савери построил первый двигатель, а затем Томас Ньюкомен в 1712 году. Хотя эти первые двигатели были грубыми и неэффективными, они привлекли внимание ведущих ученых того времени.

Основные концепции теплоемкость и скрытая теплота, необходимые для развития термодинамики, были разработаны профессором Джозеф Блэк в Университете Глазго, где Джеймс Ватт работал мастером по изготовлению инструментов. Блэк и Ватт проводили эксперименты вместе, но именно Ватт придумал идею внешний конденсатор что привело к значительному увеличению паровой двигатель эффективность.^[18] Опираясь на все предыдущие работы, вел Сади Карно, "отец термодинамики", опубликовать Размышления о движущей силе огня (1824), дискурс о тепле, мощности, энергии и эффективности двигателя. В книге изложены основные энергетические отношения между Двигатель Карно, то Цикл Карно, и сила мотивации. Это положило начало термодинамике как современной науке.^[10]

Первый учебник по термодинамике был написан в 1859 г. Уильям Рэнкин Изначально получил образование физика и профессора гражданского строительства и машиностроения в Университет Глазго.^[19] Первый и второй законы термодинамики возникли одновременно в 1850-х годах, главным образом из работ Уильям Рэнкин, Рудольф Клаузиус, и Уильям Томсон (Лорд Кельвин).^[20]

Основы статистической термодинамики были заложены такими физиками, как Джеймс Клерк Максвелл, Людвиг Больцманн, Макс Планк, Рудольф Клаузиус и Дж. Уиллард Гиббс.

В 1873–1876 гг. Американский физик-математик Джозайя Уиллард Гиббс опубликовал серию из трех статей, самая известная из которых О равновесии неоднородных веществ.,^[3] в котором он показал, как термодинамические процессы, включая химические реакции, можно было бы графически проанализировать, изучив энергия, энтропия, объем, температура и давление из термодинамическая система таким образом можно определить, будет ли процесс происходить спонтанно.^[21] Также Пьер Дюгем в 19 ​​веке писал о химической термодинамике.^[4] В начале 20 века такие химики, как Гилберт Н. Льюис, Мерл Рэндалл,^[5] и Э. А. Гуггенхайм^[6][7] применил математические методы Гиббса к анализу химических процессов.

Этимология

Этимология термодинамика имеет запутанную историю.^[22] Впервые оно было написано через дефис как прилагательное (термодинамический) и с 1854 по 1868 год как существительное термодинамика представлять науку об обобщенных тепловых двигателях.^[22]

Американец биофизик Дональд Хейни утверждает, что термодинамика был придуман в 1840 году из Греческий корень θέρμη терма что означает «тепло», и δύναμις динамика что означает «власть».^[23]

Пьер Перро утверждает, что термин термодинамика был придуман Джеймс Джоуль в 1858 г. для обозначения науки о соотношении тепла и энергии,^[10] однако Джоуль никогда не использовал этот термин, а вместо этого использовал термин идеальный термодинамический двигатель со ссылкой на работу Томсона 1849 г.^[24] фразеология.^[22]

К 1858 г. термодинамика, как функциональный термин, использовался в Уильям Томсон статья "Изложение теории Карно о движущей силе тепла".^[24]

Разделы термодинамики

Изучение термодинамических систем развилось в несколько связанных разделов, каждая из которых использует различную фундаментальную модель в качестве теоретической или экспериментальной основы или применяет принципы к различным типам систем.

Классическая термодинамика

Классическая термодинамика - это описание состояний термодинамических систем, близких к равновесию, с использованием макроскопических измеримых свойств. Он используется для моделирования обмена энергией, работой и теплом на основе законы термодинамики. Квалификатор классический отражает тот факт, что он представляет собой первый уровень понимания предмета, который развился в 19 веке, и описывает изменения системы с точки зрения макроскопических эмпирических (крупномасштабных и измеримых) параметров. Микроскопическая интерпретация этих концепций была позже предоставлена ​​развитием статистическая механика.

Статистическая механика

Статистическая механика, также называемая статистической термодинамикой, возникла с развитием атомных и молекулярных теорий в конце 19 - начале 20 века и дополнила классическую термодинамику интерпретацией микроскопических взаимодействий между отдельными частицами или квантово-механическими состояниями. Эта область связывает микроскопические свойства отдельных атомов и молекул с макроскопическими, объемными свойствами материалов, которые можно наблюдать в человеческом масштабе, тем самым объясняя классическую термодинамику как естественный результат статистики, классической механики и квантовая теория на микроскопическом уровне.^[20]

Химическая термодинамика

Химическая термодинамика это исследование взаимосвязи энергия с химические реакции или с физическим изменением государственный в рамках законы термодинамики.

Равновесная термодинамика

Равновесная термодинамика это изучение передачи материи и энергии в системах или телах, которые с помощью агентов в их окружении могут быть переведены из одного состояния термодинамического равновесия в другое. Термин «термодинамическое равновесие» указывает на состояние баланса, в котором все макроскопические потоки равны нулю; в случае простейших систем или тел их интенсивные свойства однородны, а их давления перпендикулярны их границам. В состоянии равновесия нет несбалансированных потенциалов или движущих сил между макроскопически различными частями системы. Центральная цель равновесной термодинамики: дать системе в четко определенном начальном состоянии равновесия, а также учитывая ее окружение и ее составные стенки, вычислить, каким будет окончательное состояние равновесия системы после изменения заданной термодинамической операции. его стены или окрестности.

Неравновесная термодинамика это раздел термодинамики, который занимается системами, не входящими в термодинамическое равновесие. Большинство систем, встречающихся в природе, не находятся в термодинамическом равновесии, потому что они не находятся в стационарных состояниях и постоянно и прерывисто подвержены потоку вещества и энергии в другие системы и из них. Термодинамическое исследование неравновесных систем требует более общих концепций, чем те, которые имеют дело с равновесной термодинамикой. Многие природные системы до сих пор остаются за рамками известных в настоящее время макроскопических термодинамических методов.

Законы термодинамики

Термодинамика в основном основана на наборе из четырех законов, которые универсально применимы к системам, подпадающим под ограничения, налагаемые каждым из них. В различных теоретических описаниях термодинамики эти законы могут быть выражены в, казалось бы, различных формах, но наиболее заметными формулировками являются следующие.

Нулевой закон

В нулевой закон термодинамики состояния: Если две системы каждая находится в тепловом равновесии с третьей, они также находятся в тепловом равновесии друг с другом.

Из этого утверждения следует, что тепловое равновесие отношение эквивалентности на съемках термодинамические системы на рассмотрении. Считается, что системы находятся в равновесии, если небольшие случайные обмены между ними (например, Броуновское движение ) не приводят к чистому изменению энергии. Этот закон негласно предполагается при каждом измерении температуры. Таким образом, если кто-то пытается решить, находятся ли два тела в одном и том же температура, нет необходимости приводить их в контакт и измерять изменения их наблюдаемых свойств во времени.^[25] Закон дает эмпирическое определение температуры и обоснование конструкции практических термометров.

Нулевой закон изначально не был признан отдельным законом термодинамики, поскольку его основа в термодинамическом равновесии была заложена в других законах. Первый, второй и третий законы уже были явно сформулированы и нашли широкое признание в физическом сообществе еще до того, как стала осознана важность нулевого закона для определения температуры. Поскольку было нецелесообразно изменять нумерацию других законов, он был назван нулевой закон.

Первый Закон

В первый закон термодинамики состояния: В процессе без передачи материи изменение внутренняя энергия, ΔU, из термодинамическая система равна энергии, полученной в виде тепла, Q, за вычетом термодинамической работы, W, сделанное системой в ее окружении.^{[26][nb 1]}

${displaystyle Delta U = Q-W}$.

Для процессов, которые включают в себя передачу вещества, необходимо дополнительное заявление: С должным учетом соответствующих исходных реперных состояний систем, когда две системы, которые могут иметь разный химический состав, первоначально разделенные только непроницаемой стенкой, а иным образом изолированные, объединяются в новую систему посредством термодинамической операции удаления стена, тогда

${displaystyle U_ {0} = U_ {1} + U_ {2}}$,

куда U₀ обозначает внутреннюю энергию комбинированной системы, а U₁ и U₂ обозначают внутренние энергии соответствующих разделенных систем.

Этот закон, адаптированный для термодинамики, является выражением принципа сохранение энергии, в котором говорится, что энергия может быть преобразована (изменена из одной формы в другую), но не может быть создана или уничтожена.^[27]

Внутренняя энергия - главное свойство термодинамическое состояние, а тепло и работа - это способы передачи энергии, с помощью которых процесс может изменить это состояние. Изменение внутренней энергии системы может быть достигнуто за счет любой комбинации добавленного или удаленного тепла и работы, выполняемой в системе или ею. Как функция государства, внутренняя энергия не зависит от способа или пути через промежуточные шаги, с помощью которых система достигла своего состояния.

Второй закон

В второй закон термодинамики состояния: Тепло не может спонтанно перетекать из более холодного места в более горячее.^[20]

Этот закон является выражением универсального принципа распада, наблюдаемого в природе. Второй закон - это наблюдение того факта, что со временем различия в температуре, давлении и химическом потенциале имеют тенденцию выравниваться в физической системе, изолированной от внешнего мира. Энтропия является мерой того, насколько продвинулся этот процесс. Энтропия изолированной системы, которая не находится в равновесии, будет со временем увеличиваться, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия. Однако принципы, которыми руководствуются системы, далекие от равновесия, все еще остаются спорными. Одним из таких принципов является максимальное производство энтропии принцип.^[28][29] Он утверждает, что неравновесные системы ведут себя таким образом, чтобы максимизировать производство энтропии.^[30]

В классической термодинамике второй закон является основным постулатом, применимым к любой системе, включающей передачу тепловой энергии; в статистической термодинамике второй закон является следствием предполагаемой случайности молекулярного хаоса. Есть много версий второго закона, но все они имеют один и тот же эффект, который выражает феномен необратимость в природе.

Третий закон

В третий закон термодинамики состояния: Когда температура системы приближается к абсолютному нулю, все процессы прекращаются, и энтропия системы приближается к минимальному значению.

Этот закон термодинамики является статистическим законом природы относительно энтропии и невозможности достижения абсолютный ноль температуры. Этот закон обеспечивает абсолютную точку отсчета для определения энтропии. Энтропия, определенная относительно этой точки, является абсолютной энтропией. Альтернативные определения включают «энтропия всех систем и всех состояний системы наименьшая при абсолютном нуле» или, что то же самое, «невозможно достичь абсолютного нуля температуры с помощью любого конечного числа процессов».

Абсолютный ноль, при котором вся активность прекратилась бы, если бы это было возможно, составляет -273,15 ° C (градусы Цельсия), или -459,67 ° F (градусы Фаренгейта), или 0 K (кельвин), или 0 ° R (градусы). Ренкин ).

Системные модели

Схема типовой термодинамической системы

Важным понятием термодинамики является термодинамическая система, которая представляет собой точно определенную область исследуемой Вселенной. Все во Вселенной, кроме системы, называется окружение. Система отделена от остальной Вселенной граница которые могут быть физическими или условными, но служат для ограничения системы конечным объемом. Сегменты граница часто описываются как стены; у них есть соответствующие определенные «проницаемости». Передача энергии как работай, или как высокая температура, или из иметь значение между системой и окружающей средой проходят через стены в соответствии с их проницаемостью.

Материя или энергия, которые проходят через границу, чтобы вызвать изменение внутренней энергии системы, должны быть учтены в уравнении баланса энергии. Объем, содержащийся в стенках, может быть областью, окружающей одиночный атом, резонирующей с энергией, например Макс Планк определен в 1900 г .; это может быть тело пара или воздуха в паровой двигатель, Такие как Сади Карно определен в 1824 году. Система также могла быть нуклид (т.е. система кварки ) как предполагалось в квантовая термодинамика. Если принять более свободную точку зрения и отбросить требование термодинамического равновесия, система может быть телом тропический циклон, Такие как Керри Эмануэль теоретизировал в 1986 году в области термодинамика атмосферы, или горизонт событий из черная дыра.

Границы бывают четырех типов: фиксированные, подвижные, реальные и мнимые. Например, в двигателе фиксированная граница означает, что поршень заблокирован в своем положении, в котором может происходить процесс постоянного объема. Если поршню позволяют перемещаться, эта граница является подвижной, в то время как границы цилиндра и головки цилиндра фиксированы. Для закрытых систем границы реальны, в то время как для открытых систем границы часто являются воображаемыми. В случае реактивного двигателя можно предположить фиксированную воображаемую границу на входе в двигатель, фиксированные границы вдоль поверхности корпуса и вторую фиксированную воображаемую границу поперек выпускного сопла.

В целом термодинамика различает три класса систем, определяемых с точки зрения того, что может пересекать их границы:

Взаимодействия термодинамических систем

Тип системы	Массовый поток	Работа	Высокая температура
Открыть	Y	Y	Y
Закрыто	N	Y	Y
Термически изолированный	N	Y	N
Механически изолированный	N	N	Y
Изолированные	N	N	N

Со временем в изолированной системе внутренние перепады давления, плотности и температуры имеют тенденцию выравниваться. Система, в которой все процессы уравнивания завершены, называется государственный из термодинамическое равновесие.

Находясь в термодинамическом равновесии, свойства системы по определению не изменяются во времени. Системы, находящиеся в равновесии, намного проще и легче понять, чем системы, которые не находятся в равновесии. Часто при анализе динамического термодинамического процесса делается упрощающее предположение, что каждое промежуточное состояние в процессе находится в равновесии, вызывая термодинамические процессы, которые развиваются так медленно, что позволяют каждому промежуточному этапу быть равновесным состоянием и, как говорят, обратимые процессы.

Состояния и процессы

Когда система находится в равновесии при заданном наборе условий, говорят, что она находится в определенном термодинамическое состояние. Состояние системы можно описать рядом государственные количества это не зависит от процесса, с помощью которого система достигла своего состояния. Они называются интенсивные переменные или же обширные переменные в зависимости от того, как они меняются при изменении размера системы. Свойства системы можно описать уравнение состояния который определяет взаимосвязь между этими переменными. Состояние можно рассматривать как мгновенное количественное описание системы с заданным числом переменных, которые остаются постоянными.

А термодинамический процесс можно определить как энергетическую эволюцию термодинамической системы, переходящую от начального состояния к конечному состоянию. Это можно описать как количество процесса. Обычно каждый термодинамический процесс отличается от других по энергетическому характеру в зависимости от того, какие параметры, такие как температура, давление или объем и т. Д., Остаются фиксированными; Кроме того, полезно сгруппировать эти процессы в пары, в которых каждая постоянная переменная является одним из членов сопрягать пара.

Несколько обычно изучаемых термодинамических процессов:

• Адиабатический процесс: происходит без потери или увеличения энергии высокая температура
• Изентальпический процесс: происходит при постоянном энтальпия
• Изэнтропический процесс: обратимый адиабатический процесс, происходит при постоянном энтропия
• Изобарический процесс: происходит при постоянном давление
• Изохорический процесс: происходит при постоянном объем (также называется изометрическим / изоволюметрическим)
• Изотермический процесс: происходит при постоянном температура
• Процесс устойчивого состояния: происходит без изменения внутренняя энергия

Приборы

Есть два типа термодинамические инструменты, то метр и резервуар. Термодинамический измеритель - это любое устройство, которое измеряет любой параметр термодинамическая система. В некоторых случаях термодинамический параметр фактически определяется в терминах идеализированного измерительного прибора. Например, нулевой закон утверждает, что если два тела находятся в тепловом равновесии с третьим телом, они также находятся в тепловом равновесии друг с другом. Этот принцип, как отмечает Джеймс Максвелл в 1872 году утверждает, что можно измерить температуру. Идеализированный термометр представляет собой образец идеального газа при постоянном давлении. От закон идеального газа pV = nRTобъем такого образца можно использовать как индикатор температуры; таким образом он определяет температуру. Хотя давление определяется механически, устройство для измерения давления, называемое барометр также может быть изготовлен из образца идеального газа, поддерживаемого при постоянной температуре. А калориметр это устройство, которое используется для измерения и определения внутренней энергии системы.

Термодинамический резервуар - это система, которая настолько велика, что ее параметры состояния не претерпевают заметных изменений при контакте с интересующей системой. Когда резервуар приводится в контакт с системой, система приводится в равновесие с резервуаром. Например, напорный резервуар - это система с определенным давлением, которая оказывает это давление на систему, с которой она механически связана. Атмосфера Земли часто используется как резервуар давления. Океан может действовать как резервуар температуры, когда используется для охлаждения электростанций.

Сопряженные переменные

Центральная концепция термодинамики - это концепция энергия, умение делать работай. Посредством Первый Закон, общая энергия системы и ее окружения сохраняется. Энергия может передаваться в систему путем нагрева, сжатия или добавления вещества и извлекаться из системы путем охлаждения, расширения или извлечения вещества. В механика, например, передача энергии равна произведению силы, приложенной к телу, и результирующего смещения.

Сопряженные переменные представляют собой пары термодинамических понятий, первая из которых сродни «силе», приложенной к некоторым термодинамическая система причем второе сродни результирующему «смещению», а произведение двух равняется количеству переданной энергии. Общие сопряженные переменные:

• Давление -объем (в механический параметры);
• Температура -энтропия (тепловые параметры);
• Химический потенциал -число частиц (параметры материала).

Потенциал

Термодинамические потенциалы представляют собой различные количественные меры запасенной энергии в системе. Потенциалы используются для измерения изменений энергии в системах по мере их перехода от начального состояния к конечному состоянию. Используемый потенциал зависит от ограничений системы, таких как постоянная температура или давление. Например, энергии Гельмгольца и Гиббса - это энергии, доступные в системе для выполнения полезной работы, когда температура и объем или давление и температура фиксированы соответственно.

Пять наиболее известных потенциалов:

Имя	Символ	Формула	Естественные переменные
Внутренняя энергия	${displaystyle U}$	${displaystyle int (T {ext {d}} S-p {ext {d}} V + sum _ {i} mu _ {i} {ext {d}} N_ {i})}$	${displaystyle S, V, {N_ {i}}}$
Свободная энергия Гельмгольца	${displaystyle F}$	${displaystyle U-TS}$	${displaystyle T, V, {N_ {i}}}$
Энтальпия	${displaystyle H}$	${displaystyle U + pV}$	${displaystyle S, p, {N_ {i}}}$
Свободная энергия Гиббса	${displaystyle G}$	${displaystyle U + pV-TS}$	${displaystyle T, p, {N_ {i}}}$
Потенциал Ландау, или большой потенциал	${displaystyle Omega}$, ${displaystyle Phi _ {ext {G}}}$	${displaystyle U-TS-}$${displaystyle sum _ {i},}$${displaystyle mu _ {i} N_ {i}}$	${displaystyle T, V, {mu _ {i}}}$

куда ${displaystyle T}$ это температура, ${displaystyle S}$ то энтропия, ${displaystyle p}$ то давление, ${displaystyle V}$ то объем, ${displaystyle mu}$ то химический потенциал, ${displaystyle N}$ количество частиц в системе, и ${displaystyle i}$ - количество типов частиц в системе.

Термодинамические потенциалы могут быть получены из уравнения баланса энергии, примененного к термодинамической системе. Другие термодинамические потенциалы также могут быть получены с помощью Превращение Лежандра.

Применяемые поля

Смотрите также

• Путь термодинамического процесса

Списки и сроки

• Список важных публикаций по термодинамике
• Список учебников по термодинамике и статистической механике
• Список теплопроводностей
• Список термодинамических свойств
• Таблица термодинамических уравнений
• Хронология термодинамики

Примечания

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Гольдштейн, Мартин и Инге Ф. (1993). Холодильник и Вселенная. Издательство Гарвардского университета. ISBN  978-0-674-75325-9. OCLC  32826343. Нетехническое введение, хорошее по историческим и интерпретационным вопросам.
• Казаков, Андрей; Музны, Крис Д .; Кирико, Роберт Д .; Дикий, Владимир В .; Френкель, Майкл (2008). "Web Thermo Tables - онлайн-версия термодинамических таблиц TRC". Журнал исследований Национального института стандартов и технологий. 113 (4): 209–220. Дои:10.6028 / jres.113.016. ISSN  1044-677X. ЧВК  4651616. PMID  27096122.
• Гиббс Дж. (1928). Собрание сочинений Дж. Уилларда Гиббса Термодинамика. Нью-Йорк: Longmans, Green and Co. Vol. 1. С. 55–349.
• Гуггенхайм Э.А. (1933). Современная термодинамика по методам Уилларда Гиббса. Лондон: Methuen & co. ООО
• Денби К. (1981). Принципы химического равновесия: с применением в химии и химической инженерии. Лондон: Издательство Кембриджского университета.
• Стулл Д.Р., Вестрам-младший Э.Ф. и Синке Г.С. (1969). Химическая термодинамика органических соединений.. Лондон: John Wiley and Sons, Inc.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
• Базаров И.П. (2010). Термодинамика: Учебник.. Санкт-Петербург: Издательство "Лань". п. 384. ISBN  978-5-8114-1003-3. 5-е изд. (на русском)
• Бавенди Мунги Г., Олберти Роберт А. и Силби Роберт Дж. (2004). Физическая химия. J. Wiley & Sons, Incorporated.
• Олберти Роберт А. (2003). Термодинамика биохимических реакций. Wiley-Interscience.
• Олберти Роберт А. (2006). Биохимическая термодинамика: приложения Mathematica. John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-0-471-75798-6. PMID  16878778.
• Дилл Кен А., Бромберг Сарина (2011). Молекулярные движущие силы: статистическая термодинамика в биологии, химии, физике и нанонауке. Наука о гирляндах. ISBN  978-0-8153-4430-8.
• М. Скотт Шелл (2015). Термодинамика и статистическая механика: комплексный подход. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1107656789.
• Дуглас Э. Баррик (2018). Биомолекулярная термодинамика: от теории к приложениям. CRC Press. ISBN  978-1-4398-0019-5.

Следующие заголовки носят более технический характер:

• Бежан, Адриан (2016). Передовая инженерная термодинамика (4-е изд.). Вайли. ISBN  978-1-119-05209-8.
• Ценгель, Юнус А., и Болес, Майкл А. (2002). Термодинамика - инженерный подход. Макгроу Хилл. ISBN  978-0-07-238332-4. OCLC  45791449.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
• Даннинг-Дэвис, Джереми (1997). Краткая термодинамика: принципы и приложения. Издательство Хорвуд. ISBN  978-1-8985-6315-0. OCLC  36025958.
• Кремер, Герберт и Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика. W.H. Компания Freeman. ISBN  978-0-7167-1088-2. OCLC  32932988.

внешняя ссылка

• Каллендар, Хью Лонгборн (1911). "Термодинамика". Британская энциклопедия. 26 (11-е изд.). С. 808–814.
• Сайты термодинамических данных и расчетов свойств
• Образовательные сайты по термодинамике
• Термодинамика при ScienceWorld
• Биохимия Термодинамика
• Термодинамика и статистическая механика
• Инженерная термодинамика - графический подход
• Термодинамика и статистическая механика Ричард Фицпатрик