Trong một thời gian dài, các nhà vật lý và đại diện của các ngành khoa học khác đã có cách mô tả những gì họ quan sát được trong quá trình thí nghiệm của họ. Sự thiếu đồng thuận và sự hiện diện của một số lượng lớn các thuật ngữ được đưa ra "ngoài ý muốn" đã dẫn đến sự nhầm lẫn và hiểu lầm giữa các đồng nghiệp. Theo thời gian, mỗi ngành vật lý đã tiếp thu các định nghĩa và đơn vị đo lường đã có của nó. Đây là cách các thông số nhiệt động học xuất hiện, giải thích hầu hết các thay đổi vĩ mô trong hệ thống.
Định nghĩa
Thông số trạng thái, hoặc thông số nhiệt động lực học, là một số đại lượng vật lý kết hợp với nhau và mỗi đại lượng riêng biệt có thể đặc trưng cho hệ quan sát. Chúng bao gồm các khái niệm như:
- nhiệt độ và áp suất;
- nồng độ, cảm ứng từ;
- entropy;
- enthalpy;
- Gibbs và năng lượng Helmholtz và nhiều năng lượng khác.
Lựa chọn các thông số chuyên sâu và mở rộng. Rộng rãi là những cái phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng của hệ nhiệt động lực học, vàchuyên sâu - được xác định bởi các tiêu chí khác. Không phải tất cả các tham số đều độc lập như nhau, do đó, để tính toán trạng thái cân bằng của hệ thống, cần phải xác định một số tham số cùng một lúc.
Ngoài ra, có một số bất đồng về thuật ngữ giữa các nhà vật lý. Các đặc tính vật lý giống nhau có thể được các tác giả khác nhau gọi là quá trình, hoặc tọa độ, hoặc đại lượng, hoặc tham số, hoặc thậm chí chỉ là một thuộc tính. Tất cả phụ thuộc vào nội dung mà nhà khoa học sử dụng nó. Nhưng trong một số trường hợp, có những khuyến nghị tiêu chuẩn mà người soạn thảo tài liệu, sách giáo khoa hoặc đơn đặt hàng phải tuân thủ.
Phân loại
Có một số cách phân loại các thông số nhiệt động lực học. Vì vậy, dựa trên đoạn đầu tiên, chúng ta đã biết rằng tất cả các đại lượng có thể được chia thành:
- rộng rãi (phụ gia) - những chất như vậy tuân theo luật bổ sung, nghĩa là, giá trị của chúng phụ thuộc vào số lượng thành phần;
- cường độ - chúng không phụ thuộc vào lượng chất được lấy cho phản ứng, vì chúng được căn chỉnh trong quá trình tương tác.
Dựa vào điều kiện của các chất tạo nên hệ, các đại lượng có thể được chia thành các đại lượng mô tả phản ứng giai đoạn và phản ứng hóa học. Ngoài ra, các đặc tính của chất phản ứng phải được tính đến. Chúng có thể là:
- nhiệt cơ;
- nhiệt lý;
- nhiệt hoá.
Bên cạnh đó, bất kỳ hệ thống nhiệt động lực học nào cũng thực hiện một chức năng nhất định, vì vậy các thông số có thểđặc trưng cho công hoặc nhiệt sinh ra do phản ứng và cũng cho phép bạn tính toán năng lượng cần thiết để truyền khối lượng của các hạt.
Biến trạng thái
Trạng thái của bất kỳ hệ thống nào, kể cả nhiệt động lực học, có thể được xác định bằng sự kết hợp của các thuộc tính hoặc đặc điểm của nó. Tất cả các biến hoàn toàn chỉ được xác định tại một thời điểm cụ thể và không phụ thuộc vào cách chính xác hệ thống đạt đến trạng thái này được gọi là các tham số trạng thái nhiệt động lực học (biến) hoặc hàm trạng thái.
Hệ thống được coi là đứng yên nếu các hàm biến đổi không thay đổi theo thời gian. Một phiên bản của trạng thái dừng là trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Bất kỳ, ngay cả những thay đổi nhỏ nhất trong hệ thống, đã là một quá trình và nó có thể chứa từ một đến một số thông số trạng thái nhiệt động lực học thay đổi. Trình tự trong đó các trạng thái của hệ thống liên tục chuyển đổi sang nhau được gọi là "đường dẫn quá trình".
Thật không may, vẫn có sự nhầm lẫn với các thuật ngữ, vì cùng một biến có thể vừa độc lập vừa là kết quả của việc thêm một số hàm hệ thống. Do đó, các thuật ngữ như "hàm trạng thái", "tham số trạng thái", "biến trạng thái" có thể được coi là từ đồng nghĩa.
Nhiệt độ
Một trong những thông số độc lập về trạng thái của hệ nhiệt động lực học là nhiệt độ. Nó là giá trị đặc trưng cho lượng động năng trên một đơn vị hạt tronghệ nhiệt động lực học ở trạng thái cân bằng.
Nếu chúng ta tiếp cận định nghĩa của khái niệm theo quan điểm của nhiệt động lực học, thì nhiệt độ là một giá trị tỷ lệ nghịch với sự thay đổi entropi sau khi thêm nhiệt (năng lượng) vào hệ. Khi hệ ở trạng thái cân bằng, giá trị nhiệt độ là như nhau đối với tất cả các "thành phần tham gia" của nó. Nếu có sự chênh lệch về nhiệt độ, thì năng lượng được tỏa ra bởi vật nóng hơn và được hấp thụ bởi vật lạnh hơn.
Có những hệ thống nhiệt động lực học trong đó khi năng lượng được thêm vào, sự rối loạn (entropy) không tăng lên mà ngược lại giảm đi. Ngoài ra, nếu một hệ như vậy tương tác với một vật thể có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ của chính nó, thì nó sẽ nhường động năng cho vật thể này, chứ không phải ngược lại (dựa trên định luật nhiệt động lực học).
Áp
Áp suất là đại lượng đặc trưng cho lực tác dụng lên vật có phương vuông góc với bề mặt vật. Để tính được thông số này, cần chia toàn bộ lực cho diện tích của vật. Các đơn vị của lực này sẽ là pascal.
Trong trường hợp các thông số nhiệt động lực học, chất khí chiếm toàn bộ thể tích có sẵn cho nó, và ngoài ra, các phân tử tạo nên nó liên tục chuyển động ngẫu nhiên và va chạm với nhau và với bình chứa chúng.. Chính những tác động này sẽ quyết định áp suất của chất lên thành bình hoặc lên cơ thể đặt trong chất khí. Lực lan truyền như nhau theo mọi hướng một cách chính xác vì không thể đoán trước đượccác chuyển động của phân tử. Để tăng áp suất, bạn phải tăng nhiệt độ của hệ thống và ngược lại.
Nội năng
Các thông số nhiệt động chính phụ thuộc vào khối lượng của hệ bao gồm nội năng. Nó bao gồm động năng do chuyển động của các phân tử của một chất, cũng như thế năng xuất hiện khi các phân tử tương tác với nhau.
Tham số này không rõ ràng. Có nghĩa là, giá trị của năng lượng bên trong là không đổi bất cứ khi nào hệ thống ở trạng thái mong muốn, bất kể nó đạt đến cách nào (trạng thái).
Không thể thay đổi nội năng. Nó là tổng của nhiệt lượng do hệ thống tỏa ra và công mà hệ thống tạo ra. Đối với một số quá trình, các thông số khác được tính đến, chẳng hạn như nhiệt độ, entropi, áp suất, thế năng và số lượng phân tử.
Entropy
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng entropi của một hệ cô lập không giảm. Một công thức khác giả định rằng năng lượng không bao giờ truyền từ vật có nhiệt độ thấp hơn sang vật nóng hơn. Ngược lại, điều này phủ nhận khả năng tạo ra một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn, vì không thể chuyển tất cả năng lượng có sẵn trong cơ thể thành công việc.
Khái niệm "entropy" đã được đưa vào sử dụng vào giữa thế kỷ 19. Sau đó, nó được coi là sự thay đổi lượng nhiệt so với nhiệt độ của hệ thống. Nhưng định nghĩa này chỉ áp dụng chocác quá trình luôn ở trạng thái cân bằng. Từ đó chúng ta có thể rút ra kết luận sau: nếu nhiệt độ của các vật thể tạo nên hệ có xu hướng bằng không, thì entropi cũng sẽ bằng không.
Entropy như một tham số nhiệt động học của trạng thái khí được sử dụng như một chỉ số đo lường tính ngẫu nhiên, tính ngẫu nhiên của chuyển động hạt. Nó được sử dụng để xác định sự phân bố của các phân tử trong một khu vực và bình nhất định hoặc để tính lực điện từ tương tác giữa các ion của một chất.
Enthalpy
Entanpi là năng lượng có thể chuyển hóa thành nhiệt năng (hoặc công) ở áp suất không đổi. Đây là tiềm năng của một hệ ở trạng thái cân bằng nếu nhà nghiên cứu biết mức entropy, số lượng phân tử và áp suất.
Nếu tham số nhiệt động của khí lý tưởng được chỉ ra, thay vì entanpi, thì từ "năng lượng của hệ mở rộng" được sử dụng. Để có thể tự giải thích giá trị này dễ dàng hơn, chúng ta có thể hình dung một bình chứa đầy khí, được nén đều bởi một pít-tông (ví dụ, động cơ đốt trong). Trong trường hợp này, entanpi sẽ không chỉ bằng nội năng của chất mà còn bằng công cần phải thực hiện để đưa hệ về trạng thái cần thiết. Việc thay đổi thông số này chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ thống và cách thức nhận thông số này không quan trọng.
Gibbs Năng lượng
Các thông số và quá trình nhiệt động học, phần lớn, gắn liền với thế năng của các chất tạo nên hệ. Do đó, năng lượng Gibbs tương đương với tổng năng lượng hóa học của hệ thống. Nó cho biết những thay đổi nào sẽ xảy ra trong quá trình phản ứng hóa học và liệu các chất có tương tác với nhau hay không.
Thay đổi lượng năng lượng và nhiệt độ của hệ trong quá trình phản ứng ảnh hưởng đến các khái niệm như entanpi và entropi. Sự khác biệt giữa hai thông số này sẽ được gọi là năng lượng Gibbs hoặc thế đẳng áp đẳng nhiệt.
Giá trị nhỏ nhất của năng lượng này được quan sát nếu hệ ở trạng thái cân bằng và áp suất, nhiệt độ và lượng vật chất của nó không thay đổi.
Helmholtz Năng lượng
Năng lượng Helmholtz (theo các nguồn khác - chỉ là năng lượng tự do) là lượng năng lượng tiềm tàng sẽ bị mất đi bởi hệ thống khi tương tác với các vật thể không có trong nó.
Khái niệm năng lượng tự do Helmholtz thường được sử dụng để xác định công tối đa mà một hệ thống có thể thực hiện, tức là lượng nhiệt tỏa ra khi các chất thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Nếu hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động (nghĩa là nó không thực hiện bất kỳ công việc nào) thì mức năng lượng tự do là nhỏ nhất. Điều này có nghĩa là thay đổi các thông số khác, chẳng hạn như nhiệt độ,áp suất, số lượng các hạt cũng không xảy ra.
