Երկար ժամանակ ֆիզիկոսները և այլ գիտությունների ներկայացուցիչները ունեին նկարագրելու այն, ինչ նկատում էին իրենց փորձերի ընթացքում: Կոնսենսուսի բացակայությունը և «կապույտից» վերցված մեծ թվով տերմինների առկայությունը գործընկերների մոտ տարակուսանքի և թյուրիմացության պատճառ դարձան: Ժամանակի ընթացքում ֆիզիկայի յուրաքանչյուր ճյուղ ձեռք բերեց իր սահմանված սահմանումները և չափման միավորները: Ահա թե ինչպես են հայտնվել թերմոդինամիկական պարամետրերը՝ բացատրելով համակարգի մակրոսկոպիկ փոփոխությունների մեծ մասը։
Սահմանում
Պետության պարամետրերը կամ թերմոդինամիկական պարամետրերը մի շարք ֆիզիկական մեծություններ են, որոնք միասին և յուրաքանչյուրն առանձին կարող են բնութագրել դիտարկվող համակարգը։ Դրանք ներառում են այնպիսի հասկացություններ, ինչպիսիք են՝
- ջերմաստիճան և ճնշում;
- կենտրոնացում, մագնիսական ինդուկցիա;
- էնտրոպիա;
- էնթալպիա;
- Գիբսի և Հելմհոլցի էներգիաները և շատ ուրիշներ:
Ընտրեք ինտենսիվ և ընդարձակ պարամետրեր: Ընդարձակ են նրանք, որոնք ուղղակիորեն կախված են թերմոդինամիկական համակարգի զանգվածից, ևինտենսիվ - որոնք որոշվում են այլ չափանիշներով: Բոլոր պարամետրերը հավասարապես անկախ չեն, հետևաբար, համակարգի հավասարակշռության վիճակը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է միանգամից մի քանի պարամետր որոշել։
Բացի այդ, ֆիզիկոսների միջև կան որոշ տերմինաբանական տարաձայնություններ: Նույն ֆիզիկական բնութագիրը տարբեր հեղինակների կողմից կարող է կոչվել կա՛մ գործընթաց, կա՛մ կոորդինատ, կա՛մ քանակ, կա՛մ պարամետր, կա՛մ պարզապես հատկություն: Ամեն ինչ կախված է նրանից, թե ինչ բովանդակությամբ է այն օգտագործում գիտնականը։ Բայց որոշ դեպքերում կան ստանդարտացված առաջարկություններ, որոնց պետք է հետևեն փաստաթղթեր, դասագրքեր կամ պատվերներ կազմողները:
Դասակարգում
Գոյություն ունեն թերմոդինամիկական պարամետրերի մի քանի դասակարգում: Այսպիսով, առաջին պարբերության հիման վրա արդեն հայտնի է, որ բոլոր քանակությունները կարելի է բաժանել՝.
- ընդարձակ (հավելում) - նման նյութերը ենթարկվում են ավելացման օրենքին, այսինքն՝ դրանց արժեքը կախված է բաղադրիչների քանակից;
- ինտենսիվ - դրանք կախված չեն նրանից, թե որքան նյութ է վերցվել ռեակցիայի համար, քանի որ փոխազդեցության ընթացքում դրանք հավասարեցված են:
Ելնելով այն պայմաններից, որոնց տակ գտնվում են համակարգը կազմող նյութերը, քանակները կարելի է բաժանել նրանց, որոնք նկարագրում են փուլային և քիմիական ռեակցիաները: Բացի այդ, պետք է հաշվի առնել ռեակտիվների հատկությունները: Դրանք կարող են լինել՝
- ջերմամեխանիկական;
- թերմոֆիզիկական;
- ջերմաքիմիական.
Բացի այդ, ցանկացած թերմոդինամիկական համակարգ կատարում է որոշակի գործառույթ, ուստի պարամետրերը կարող են.բնութագրում է ռեակցիայի արդյունքում առաջացած աշխատանքը կամ ջերմությունը, ինչպես նաև թույլ է տալիս հաշվարկել մասնիկների զանգվածը փոխանցելու համար անհրաժեշտ էներգիան։
Պետական փոփոխականներ
Ցանկացած համակարգի վիճակը, ներառյալ թերմոդինամիկական, կարող է որոշվել նրա հատկությունների կամ բնութագրերի համակցությամբ: Բոլոր այն փոփոխականները, որոնք ամբողջությամբ որոշվում են միայն որոշակի պահին և կախված չեն նրանից, թե ինչպես է համակարգը հասել այս վիճակին, կոչվում են թերմոդինամիկ վիճակի պարամետրեր (փոփոխականներ) կամ վիճակի ֆունկցիաներ։
Համակարգը համարվում է անշարժ, եթե փոփոխական ֆունկցիաները ժամանակի ընթացքում չեն փոխվում: Կայուն վիճակի տարբերակներից մեկը թերմոդինամիկական հավասարակշռությունն է: Համակարգի ցանկացած, նույնիսկ ամենափոքր փոփոխությունն արդեն գործընթաց է, և այն կարող է պարունակել մեկից մինչև մի քանի փոփոխական թերմոդինամիկ վիճակի պարամետրեր: Այն հաջորդականությունը, որով համակարգի վիճակները շարունակաբար անցնում են միմյանց, կոչվում է «գործընթացի ուղի»:
Ցավոք, դեռևս շփոթություն կա տերմինների հետ, քանի որ նույն փոփոխականը կարող է լինել և՛ անկախ, և՛ համակարգային մի քանի ֆունկցիաներ ավելացնելու արդյունք: Հետևաբար, այնպիսի տերմիններ, ինչպիսիք են «state function», «state parameter», «state variable» կարող են համարվել հոմանիշներ։
Ջերմաստիճան
Թերմոդինամիկական համակարգի վիճակի անկախ պարամետրերից մեկը ջերմաստիճանն է։ Դա արժեք է, որը բնութագրում է կինետիկ էներգիայի քանակը մեկ միավորի մասնիկների համարթերմոդինամիկական համակարգը հավասարակշռության մեջ։
Եթե հասկացության սահմանմանը մոտենանք թերմոդինամիկայի տեսանկյունից, ապա ջերմաստիճանը հակադարձ համեմատական արժեք է համակարգին ջերմություն (էներգիա) ավելացնելուց հետո էնտրոպիայի փոփոխությանը: Երբ համակարգը գտնվում է հավասարակշռության մեջ, ջերմաստիճանի արժեքը նույնն է նրա բոլոր «մասնակիցների» համար։ Եթե կա ջերմաստիճանի տարբերություն, ապա էներգիան արտազատվում է ավելի տաք մարմնի կողմից և կլանում ավելի սառը մարմնի կողմից:
Գոյություն ունեն թերմոդինամիկական համակարգեր, որոնցում էներգիայի ավելացման դեպքում խանգարումը (էնտրոպիան) չի ավելանում, այլ ավելի շուտ նվազում է: Բացի այդ, եթե նման համակարգը փոխազդում է մարմնի հետ, որի ջերմաստիճանը ավելի մեծ է, քան իր մարմնին, ապա այն կզիջի իր կինետիկ էներգիան այս մարմնին, և ոչ թե հակառակը (հիմնվելով թերմոդինամիկայի օրենքների վրա):
Ճնշում
Ճնշումը մեծություն է, որը բնութագրում է մարմնի վրա ազդող ուժը՝ նրա մակերեսին ուղղահայաց։ Այս պարամետրը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է ուժի ամբողջ քանակությունը բաժանել օբյեկտի տարածքի վրա: Այս ուժի միավորները կլինեն պասկալներ։
Թերմոդինամիկական պարամետրերի դեպքում գազը զբաղեցնում է իրեն հասանելի ողջ ծավալը, և, բացի այդ, այն կազմող մոլեկուլները անընդհատ շարժվում են պատահականորեն և բախվում միմյանց և այն նավի հետ, որում գտնվում են։. Հենց այդ ազդեցություններն են որոշում նյութի ճնշումը նավի պատերի կամ գազի մեջ դրված մարմնի վրա: Ուժը հավասարապես տարածվում է բոլոր ուղղություններով հենց անկանխատեսելիի պատճառովմոլեկուլային շարժումներ. Ճնշումը բարձրացնելու համար պետք է բարձրացնել համակարգի ջերմաստիճանը և հակառակը։
Ներքին էներգիա
Համակարգի զանգվածից կախված հիմնական թերմոդինամիկական պարամետրերը ներառում են ներքին էներգիան։ Այն բաղկացած է նյութի մոլեկուլների շարժման հետևանքով առաջացած կինետիկ էներգիայից, ինչպես նաև պոտենցիալ էներգիայից, որն առաջանում է, երբ մոլեկուլները փոխազդում են միմյանց հետ։
Այս պարամետրը միանշանակ է: Այսինքն՝ ներքին էներգիայի արժեքը հաստատուն է, երբ համակարգը գտնվում է ցանկալի վիճակում՝ անկախ նրանից, թե որ ճանապարհով է այն (վիճակը) հասել։
Անհնար է փոխել ներքին էներգիան. Դա համակարգի կողմից արտանետվող ջերմության և դրա արտադրած աշխատանքի գումարն է: Որոշ գործընթացների համար հաշվի են առնվում այլ պարամետրեր, ինչպիսիք են ջերմաստիճանը, էնտրոպիան, ճնշումը, պոտենցիալը և մոլեկուլների քանակը։
Էնտրոպիա
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը ասում է, որ մեկուսացված համակարգի էնտրոպիան չի նվազում։ Մեկ այլ ձևակերպում պնդում է, որ էներգիան երբեք ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմնից չի անցնում ավելի տաք: Սա, իր հերթին, ժխտում է մշտական շարժման մեքենա ստեղծելու հնարավորությունը, քանի որ անհնար է մարմնին հասանելի ողջ էներգիան տեղափոխել աշխատանքի։
Հենց «էնտրոպիա» հասկացությունը գործածության մեջ դրվեց 19-րդ դարի կեսերին։ Այնուհետև դա ընկալվեց որպես ջերմության քանակի փոփոխություն դեպի համակարգի ջերմաստիճան։ Բայց այս սահմանումը վերաբերում է միայնգործընթացներ, որոնք մշտապես գտնվում են հավասարակշռության մեջ. Այստեղից կարող ենք անել հետևյալ եզրակացությունը՝ եթե համակարգը կազմող մարմինների ջերմաստիճանը հակված է զրոյի, ապա էնտրոպիան նույնպես հավասար կլինի զրոյի։
Էնտրոպիան որպես գազային վիճակի թերմոդինամիկական պարամետր օգտագործվում է որպես պատահականության, մասնիկների շարժման պատահականության չափման ցուցիչ։ Այն օգտագործվում է որոշակի տարածքում և անոթում մոլեկուլների բաշխումը որոշելու կամ նյութի իոնների միջև փոխազդեցության էլեկտրամագնիսական ուժը հաշվարկելու համար։
Էնթալպիա
Էնթալպիան այն էներգիան է, որը կարող է մշտական ճնշման տակ վերածվել ջերմության (կամ աշխատանքի): Սա հավասարակշռության մեջ գտնվող համակարգի ներուժն է, եթե հետազոտողը գիտի էնտրոպիայի մակարդակը, մոլեկուլների քանակը և ճնշումը:
Եթե նշվում է իդեալական գազի թերմոդինամիկական պարամետրը, էնթալպիայի փոխարեն օգտագործվում է «ընդլայնված համակարգի էներգիա» ձևակերպումը։ Որպեսզի մեզ ավելի հեշտ բացատրենք այս արժեքը, մենք կարող ենք պատկերացնել գազով լցված անոթ, որը միատեսակ սեղմված է մխոցով (օրինակ՝ ներքին այրման շարժիչով): Այս դեպքում էնթալպիան հավասար կլինի ոչ միայն նյութի ներքին էներգիային, այլև այն աշխատանքին, որը պետք է արվի համակարգը անհրաժեշտ վիճակի բերելու համար։ Այս պարամետրը փոխելը կախված է միայն համակարգի սկզբնական և վերջնական վիճակից, և նշանակություն չունի այն ստանալու եղանակը:
Գիբս էներգիա
Ջերմոդինամիկական պարամետրերը և գործընթացները, մեծ մասամբ, կապված են համակարգը կազմող նյութերի էներգետիկ ներուժի հետ: Այսպիսով, Գիբսի էներգիան համարժեք է համակարգի ընդհանուր քիմիական էներգիային։ Այն ցույց է տալիս, թե ինչ փոփոխություններ են տեղի ունենալու քիմիական ռեակցիաների ընթացքում և արդյոք նյութերն ընդհանրապես կփոխազդեն:
Ռեակցիայի ընթացքում համակարգի էներգիայի և ջերմաստիճանի քանակի փոփոխությունը ազդում է այնպիսի հասկացությունների վրա, ինչպիսիք են էնթալպիան և էնտրոպիան: Այս երկու պարամետրերի միջև տարբերությունը կկոչվի Գիբսի էներգիա կամ իզոբար-իզոթերմալ պոտենցիալ:
Այս էներգիայի նվազագույն արժեքը նկատվում է, եթե համակարգը գտնվում է հավասարակշռության մեջ, և նրա ճնշումը, ջերմաստիճանը և նյութի քանակը մնում են անփոփոխ։
Helmholtz Energy
Հելմհոլցի էներգիան (ըստ այլ աղբյուրների՝ պարզապես անվճար էներգիա) էներգիայի այն պոտենցիալ քանակությունն է, որը կկորցնի համակարգը, երբ փոխազդում է դրա մեջ չընդգրկված մարմինների հետ:
Հելմհոլցի ազատ էներգիայի գաղափարը հաճախ օգտագործվում է որոշելու համար, թե ինչ առավելագույն աշխատանքը կարող է կատարել համակարգը, այսինքն՝ որքան ջերմություն է արտազատվում, երբ նյութերը փոխվում են մի վիճակից մյուսը:
Եթե համակարգը գտնվում է թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում (այսինքն՝ ոչ մի աշխատանք չի կատարում), ապա ազատ էներգիայի մակարդակը նվազագույն է։ Սա նշանակում է, որ փոխելով այլ պարամետրեր, ինչպիսիք են ջերմաստիճանը,ճնշում, մասնիկների թիվը նույնպես չի առաջանում։
