Termodinamica

(Versiunea color adnotată a motorului de termic Carnot original din 1824 care arată corpul fierbinte (boiler), corpul de lucru (sistem, abur) și corpul rece (apa), literele fiind etichetate în funcție de punctele de oprire din ciclul Carnot.)

Termodinamica este o ramură a fizicii care studiază căldura și temperatura și relația lor cu energia și lucrul mecanic. Comportamentul acestor cantități este guvernat de cele patru legi ale termodinamicii, indiferent de compoziția sau proprietățile specifice ale materialului sau sistemului în cauză. Legile termodinamicii sunt explicate în termeni de constituenți microscopici prin mecanica statistică. Termodinamica se aplică unei game largi de subiecte din știință și inginerie, în special chimie fizică, inginerie chimică și inginerie mecanică.

Din punct de vedere istoric, termodinamica sa dezvoltat din dorința de a spori eficiența motoarelor timpurii cu aburi, în special prin munca fizicianului francez Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824), care credea că eficiența motorului este cheia care ar putea ajuta Franța să câștige războaiele napoleoniene. Fizicianul scoțian Lordul Kelvin a fost primul care a formulat o definiție succintă a termodinamicii în 1854, care afirma: „Termodinamica este subiectul relației căldurii cu forțele care acționează între părți contigue ale corpurilor și relația căldurii cu agentul electric”.

Aplicarea inițială a termodinamicii la motoarele termice mecanice a fost extinsă la începutul studiului compușilor chimici și reacțiilor chimice. Termodinamica chimică studiază natura rolului entropiei în procesul reacțiilor chimice și a oferit cea mai mare parte a extinderii și a cunoașterii domeniului. Alte formulări de termodinamică au apărut în următoarele decenii. Termodinamica statistică sau mecanica statistică s-a preocupat de predicțiile statistice ale mișcării colective a particulelor din comportamentul lor microscopic. În 1909, Constantin Carathéodory a prezentat o abordare pur matematică a câmpului în formula sa axiomatică de termodinamică, o descriere adesea denumită termodinamica geometrică.

Introducere

O descriere a oricărui sistem termodinamic folosește cele patru legi ale termodinamicii care formează o bază axiomatică. Prima lege specifică faptul că energia poate fi schimbată între sistemele fizice ca și căldură și lucru mecanic. A doua lege definește existența unei cantități numite entropie, care descrie direcția, termodinamic, în care un sistem poate evolua și cuantifica starea de ordine a unui sistem și care poate fi folosită pentru a cuantifica munca utilă care poate fi extrasă din sistem.

În termodinamică, interacțiunile dintre ansamblurile mari de obiecte sunt studiate și clasificate. Conceptele centrale sunt sistemul termodinamic și împrejurimile sale. Un sistem este compus din particule, ale căror mișcări medii definesc proprietățile lor, iar aceste proprietăți sunt, la rândul lor, legate între ele prin ecuații de stare. Proprietățile pot fi combinate pentru a exprima energia internă și potențialul termodinamic, care sunt utile pentru determinarea condițiilor de echilibru și a proceselor spontane.

Cu aceste instrumente, termodinamica poate fi folosită pentru a descrie modul în care sistemele răspund la schimbările din mediul lor. Acest lucru poate fi aplicat unei game largi de subiecte din știință și inginerie, cum ar fi motoare, tranziții de fază, reacții chimice, fenomene de transport și chiar găuri negre. Rezultatele termodinamicii sunt esențiale pentru alte domenii ale fizicii și chimiei, ingineriei chimice, ingineriei aerospațiale, ingineriei mecanice, biologiei celulare, ingineriei biomedicale, științei materialelor și economiei, pentru a numi doar câteva.

Termodinamica clasică studiază în primul rând sistemele în echilibru termodinamic. Termodinamica non-echilibrului este adesea tratată ca o prelungire a tratamentului clasic, însă mecanica statistică a adus multe progrese în acest domeniu.

Istorie

Istoria termodinamicii ca disciplină științifică începe, în general, cu Otto von Guericke care, în 1650, a construit și proiectat prima pompă de vid din lume și a realizat un vacuum folosind emisferele sale Magdeburg. Guericke a decis să creeze un vid pentru a dezaproba presupunerea susținută de mult de Aristotel că „natura detestă vidul”. La scurt timp după Guericke, fizicianul și chimistul englez Robert Boyle au aflat de desenele lui Guericke și, în 1656, în coordonare cu omul de știință englez Robert Hooke, au construit o pompă de aer. Utilizând această pompă, Boyle și Hooke au observat o corelație între presiune, temperatură și volum. În timp, a fost formulată Legea lui Boyle, care afirmă că presiunea și volumul sunt invers proporționale. Apoi, în 1679, pe baza acestor concepte, un asociat al lui Boyle, Denis Papin, a construit un vas cu aburi, închis cu un capac bine fixat, care izola aburul până la o presiune ridicată.

Ulterior, modelele au implementat o supapă de evacuare a aburului care a împiedicat explozia mașinii. Urmărind supapa ritmic în sus și în jos, Papin a conceput ideea unui piston și a unui motor cilindric. Dar nu l-a proiectat. În 1697, pe baza modelelor lui Papin, inginerul Thomas Savery a construit primul motor, urmat de Thomas Newcomen în 1712. Cu toate că aceste motoare timpurii au fost brute și ineficiente, au atras atenția oamenilor de știință ai timpului.

Conceptele fundamentale ale capacității termice și căldurii latente, necesare pentru dezvoltarea termodinamicii, au fost dezvoltate de profesorul Joseph Black de la Universitatea din Glasgow, unde James Watt a fost angajat ca instrumentar. Black și Watt au realizat împreună experimente, dar Watt a conceput ideea condensatorului extern care a dus la o creștere mare a eficienței motorului cu abur. Bazându-se pe toate lucrările anterioare, Sadi Carnot, „părintele termodinamicii”, a publicat Reflecții privind puterea motivantă a focului (1824), un discurs despre căldură, putere, energie și eficiența motorului. Cartea a subliniat relațiile energetice fundamentale dintre motorul Carnot, ciclul Carnot și puterea motrice. A marcat începutul termodinamicii ca o știință modernă.

Primul manual termodinamic a fost scris în 1859 de William Rankine, inițial educat ca fizician și profesor de inginerie civilă și mecanică la Universitatea din Glasgow. Prima și a doua lege a termodinamicii au apărut simultan în anii 1850, în primul rând din lucrările lui William Rankine, Rudolf Clausius și William Thomson (Lordul Kelvin).

Bazele termodinamicii statistice au fost expuse de fizicieni precum James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius și J. Willard Gibbs.

În anii 1873-1976, fizicianul matematician american Josiah Willard Gibbs a publicat o serie de trei lucrări, cea mai cunoscută fiind „Despre echilibrul substanțelor eterogene„, în care a arătat cum procesele termodinamice, inclusiv reacțiile chimice, ar putea fi analizate grafic prin studierea energiei, entropiei, volumului, temperaturii și presiunii sistemului termodinamic, astfel putându-se determina dacă un proces ar avea loc spontan. De asemenea, Pierre Duhem, în secolul al XIX-lea, a scris despre termodinamica chimică. La începutul secolului al XX-lea, chimiști precum Gilbert N. Lewis, Merle Randall și E. A. Guggenheim au aplicat metodele matematice ale lui Gibbs la analiza proceselor chimice.

Traducere din Wikipedia