Durant molt de temps, els físics i els representants d' altres ciències van tenir una manera de descriure el que observaven en el transcurs dels seus experiments. La manca de consens i la presència d'un gran nombre de termes extrets “de la nada” va provocar confusió i malentesos entre els companys. Amb el temps, cada branca de la física va adquirir les seves definicions i unitats de mesura establertes. Així van aparèixer els paràmetres termodinàmics, que explicaven la majoria dels canvis macroscòpics del sistema.
Definició
Els paràmetres d'estat, o paràmetres termodinàmics, són una sèrie de magnituds físiques que juntes i cadascuna per separat poden caracteritzar el sistema observat. Aquests inclouen conceptes com ara:
- temperatura i pressió;
- concentració, inducció magnètica;
- entropia;
- entalpia;
- Energies de Gibbs i Helmholtz i moltes altres.
Seleccioneu paràmetres intensius i extensos. Extensos són els que depenen directament de la massa del sistema termodinàmic, iintensives - que es determinen per altres criteris. No tots els paràmetres són igualment independents, per tant, per calcular l'estat d'equilibri del sistema, cal determinar diversos paràmetres alhora.
A més, hi ha alguns desacords terminològics entre els físics. La mateixa característica física pot ser anomenada per diferents autors ja sigui un procés, o una coordenada, o una quantitat, o un paràmetre, o fins i tot només una propietat. Tot depèn del contingut en què l'utilitzi el científic. Però en alguns casos, hi ha recomanacions estandarditzades que els redactors de documents, llibres de text o comandes han de complir.
Classificació
Hi ha diverses classificacions de paràmetres termodinàmics. Així doncs, a partir del primer paràgraf, ja se sap que totes les quantitats es poden dividir en:
- extensiu (additiu): aquestes substàncies obeeixen la llei de l'addició, és a dir, el seu valor depèn del nombre d'ingredients;
- intens: no depenen de la quantitat de substància pres per a la reacció, ja que s'alineen durant la interacció.
En funció de les condicions en què es troben les substàncies que componen el sistema, les magnituds es poden dividir en les que descriuen reaccions de fase i reaccions químiques. A més, cal tenir en compte les propietats dels reactius. Poden ser:
- termomecànic;
- termofísica;
- termoquímic.
A més d'això, qualsevol sistema termodinàmic realitza una funció determinada, de manera que els paràmetres podencaracteritzar el treball o la calor produït com a resultat de la reacció, i també permeten calcular l'energia necessària per transferir la massa de partícules.
Variables d'estat
L'estat de qualsevol sistema, inclosa la termodinàmica, es pot determinar mitjançant una combinació de les seves propietats o característiques. Totes les variables que es determinen completament només en un moment determinat i que no depenen de com va arribar exactament el sistema a aquest estat s'anomenen paràmetres (variables) d'estat termodinàmic o funcions d'estat.
El sistema es considera estacionari si les funcions variables no canvien amb el temps. Una versió de l'estat estacionari és l'equilibri termodinàmic. Qualsevol, fins i tot el més petit canvi en el sistema, ja és un procés, i pot contenir d'un a diversos paràmetres variables d'estat termodinàmic. La seqüència en què els estats del sistema transició contínuament entre si s'anomena "camí del procés".
Per desgràcia, encara hi ha confusió amb els termes, ja que la mateixa variable pot ser independent i el resultat d'afegir diverses funcions del sistema. Per tant, termes com ara "funció d'estat", "paràmetre d'estat", "variable d'estat" es poden considerar sinònims.
Temperatura
Un dels paràmetres independents de l'estat d'un sistema termodinàmic és la temperatura. És un valor que caracteritza la quantitat d'energia cinètica per unitat de partículessistema termodinàmic en equilibri.
Si ens apropem a la definició del concepte des del punt de vista de la termodinàmica, aleshores la temperatura és un valor inversament proporcional al canvi d'entropia després d'afegir calor (energia) al sistema. Quan el sistema està en equilibri, el valor de temperatura és el mateix per a tots els seus "participants". Si hi ha una diferència de temperatura, l'energia la desprèn un cos més calent i l'absorbeix un de més fred.
Hi ha sistemes termodinàmics en què quan s'afegeix energia, el desordre (entropia) no augmenta, sinó que disminueix. A més, si un sistema d'aquest tipus interacciona amb un cos la temperatura del qual és superior a la seva, cedirà la seva energia cinètica a aquest cos, i no a l'inrevés (segons les lleis de la termodinàmica).
Pressió
La pressió és una magnitud que caracteritza la força que actua sobre un cos, perpendicular a la seva superfície. Per calcular aquest paràmetre, cal dividir tota la força per l'àrea de l'objecte. Les unitats d'aquesta força seran pascals.
En el cas dels paràmetres termodinàmics, el gas ocupa tot el volum de què disposa i, a més, les molècules que el formen es mouen constantment aleatòriament i xoquen entre elles i amb el recipient en què es troben.. Són aquests impactes els que determinen la pressió de la substància sobre les parets del recipient o sobre el cos que es col·loca en el gas. La força es propaga per igual en totes direccions precisament a causa de l'imprevisiblemoviments moleculars. Per augmentar la pressió, cal augmentar la temperatura del sistema i viceversa.
Energia interna
Els principals paràmetres termodinàmics que depenen de la massa del sistema inclouen l'energia interna. Consisteix en l'energia cinètica deguda al moviment de les molècules d'una substància, així com en l'energia potencial que apareix quan les molècules interaccionen entre elles.
Aquest paràmetre és inequívoc. És a dir, el valor de l'energia interna és constant sempre que el sistema es troba en l'estat desitjat, independentment de com s'hagi arribat (l'estat).
És impossible canviar l'energia interna. És la suma de la calor que emet el sistema i el treball que produeix. Per a alguns processos, es tenen en compte altres paràmetres, com ara la temperatura, l'entropia, la pressió, el potencial i el nombre de molècules.
Entropia
La segona llei de la termodinàmica diu que l'entropia d'un sistema aïllat no disminueix. Una altra formulació postula que l'energia mai passa d'un cos amb una temperatura més baixa a un de més calent. Això, al seu torn, nega la possibilitat de crear una màquina de moviment perpetu, ja que és impossible transferir tota l'energia disponible per al cos al treball.
El mateix concepte d'"entropia" es va introduir en ús a mitjans del segle XIX. Aleshores es va percebre com un canvi en la quantitat de calor a la temperatura del sistema. Però aquesta definició només s'aplica aprocessos que estan constantment en equilibri. D'això en podem extreure la següent conclusió: si la temperatura dels cossos que componen el sistema tendeix a zero, llavors l'entropia també serà igual a zero.
L'entropia com a paràmetre termodinàmic de l'estat del gas s'utilitza com a indicació de la mesura de l'aleatorietat, l'aleatorietat del moviment de les partícules. S'utilitza per determinar la distribució de molècules en una àrea i un recipient determinats, o per calcular la força electromagnètica d'interacció entre els ions d'una substància.
Entalpia
L'entalpia és l'energia que es pot convertir en calor (o treball) a pressió constant. Aquest és el potencial d'un sistema que està en equilibri si l'investigador coneix el nivell d'entropia, el nombre de molècules i la pressió.
Si s'indica el paràmetre termodinàmic d'un gas ideal, en comptes d'entalpia, s'utilitza la paraula "energia del sistema estès". Per tal de facilitar-nos l'explicació d'aquest valor, podem imaginar un recipient ple de gas, que és comprimit uniformement per un pistó (per exemple, un motor de combustió interna). En aquest cas, l'entalpia serà igual no només a l'energia interna de la substància, sinó també al treball que s'ha de fer per portar el sistema a l'estat requerit. Canviar aquest paràmetre només depèn de l'estat inicial i final del sistema, i la manera com es rebrà no importa.
Gibbs Energy
Els paràmetres i processos termodinàmics, en la seva majoria, estan associats al potencial energètic de les substàncies que componen el sistema. Així, l'energia de Gibbs és l'equivalent a l'energia química total del sistema. Mostra quins canvis es produiran en el curs de les reaccions químiques i si les substàncies interaccionaran en absolut.
Canviar la quantitat d'energia i temperatura del sistema durant el curs de la reacció afecta conceptes com l'entalpia i l'entropia. La diferència entre aquests dos paràmetres s'anomenarà energia de Gibbs o potencial isobàric-isotèrmic.
El valor mínim d'aquesta energia s'observa si el sistema està en equilibri i la seva pressió, temperatura i quantitat de matèria romanen sense canvis.
Helmholtz Energy
L'energia de Helmholtz (segons altres fonts, només energia lliure) és la quantitat potencial d'energia que es perdrà el sistema en interactuar amb cossos que no hi estan inclosos.
El concepte d'energia lliure de Helmholtz s'utilitza sovint per determinar quin treball màxim pot realitzar un sistema, és a dir, quanta calor s'allibera quan les substàncies canvien d'un estat a un altre.
Si el sistema es troba en un estat d'equilibri termodinàmic (és a dir, no fa cap treball), aleshores el nivell d'energia lliure és mínim. Això vol dir que canviar altres paràmetres, com ara la temperatura,pressió, el nombre de partícules tampoc no es produeix.
