Termodinamika

A termodinamika vagy magyar nevén hőtan a fizika energiaátalakulásokkal foglalkozó tudományterülete.

Egy magára hagyott termodinamikai rendszerben az intenzív állapotjelzők eloszlása homogénné válik, vagyis a rendszer egyensúlyi állapotba kerül. Az egyensúlyi állapottal a termosztatika foglalkozik. Minden pontjában ugyanakkora nyomás, hőmérséklet stb. lesz. Termodinamikai elveken (is) alapszik pl.: időjárás-előrejelzés, robbanómotorok, repülőgép-hajtóművek, hűtőszekrény, kuktafazék, kémény. Néhány fogalom, mely kapcsolódik a termodinamikához:

• tömeg
• tömegáram
• hőátadás
• munka
• hő
• belső energia
• nyomás
• fázis
• entrópia
• entalpia
• fajhő
• ideális gáz
• Carnot-körfolyamat.

Klasszikus termodinamika

0. főtétel: a termodinamikai rendszer egyensúlya

A nulladik főtétel tulajdonképpen nem egyetlen „törvényt”, hanem több posztulátumot jelent, amelyek a termodinamikai rendszer egyensúlyával kapcsolatosak. Ezek:

• bármely magára hagyott termodinamikai rendszer egy idő után egyensúlyi állapotba kerül, amelyből önmagától nem mozdulhat ki;
• egy egyensúlyban levő termodinamikai rendszer szabadságfokainak száma a környezetével megvalósítható kölcsönhatások számával egyenlő;
• a két testből álló magára hagyott termodinamikai rendszer egyensúlyban van, ha a testek között fellépő kölcsönhatásokat jellemző intenzív állapothatározóik egyenlők;
• az egyensúly tranzitív (ha A rendszer termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel, akkor ebből következik, hogy A és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van egymással).

I. főtétel: az energiamegmaradás törvénye

A termodinamika első főtétele mennyiségi összefüggést állapít meg a mechanikai munka, a cserélt hő és a belső energia változása között. Egy nyugvó és zárt termodinamikai rendszer belső energiáját, amennyiben annak belsejében nem zajlik le fázisátalakulás vagy kémiai reakció, kétféleképpen lehet megváltoztatni: munkavégzéssel és hőközléssel. A rendszer belső energiájának megváltozása ΔU tehát a vele közölt Q hőmennyiség és a rajta végzett W (bármilyen) munka összege:

$\Delta U=Q+W\,$

Áramló közegre a hő és a technikai munka összege így számolható:

$q_{12}+w_{t12}=h_{2}-h_{1}+{\frac {1}{2}}(c_{2}^{2}-c_{1}^{2})+g(z_{2}-z_{1})$

ahol q a hő, w_t12 a technikai munka, h az entalpia, c a közegáramlás sebessége, g a gravitációs állandó és z a vizsgált pont magassága (helyzete). Differenciális alakban:

$\mathrm {d} U=\delta Q+\delta W\,$

Következménye: Nincs olyan periodikusan működő gép, ú.n. elsőfajú perpetuum mobile, mely hőfelvétel nélkül képes lenne munkát végezni.

II. főtétel

A második főtétel a spontán folyamatok irányát szabja meg. Több, látszólag lényegesen különböző megfogalmazása van.

• Clausius-féle megfogalmazás (1850): A természetben nincs olyan folyamat, amelyben a hő önként, külső munkavégzés nélkül hidegebb testről melegebbre menne át. Csakis fordított irányú folyamatok lehetségesek.

• Kelvin-Planck-féle megfogalmazás (1851, 1903): A természetben nincs olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszít, és ez a hő munkává alakulna át. Szemléletesen egy hajó lehetne ilyen, amelyik a tenger vizéből hőenergiát von el, és a kivont hőenergiával hajtja magát. Ez nem mond ellent az energiamegmaradásnak, mégsem kivitelezhető.

Az ilyen gépet másodfajú perpetuum mobilének nevezzük, tehát az állítás szerint nem létezik másodfajú perpetuum mobile.

A két megfogalmazás egymásból következik, de a levezetése nem teljesen egyszerű.

A második alaptörvénynek ezek és az ezekhez hasonló megfogalmazásai zavarbaejtőek, hiszen a fizika többi, összefüggéseket megállapító törvényeivel szemben valaminek a létezését tagadják. Egy jobb megfogalmazás végett egy új fogalom került bevezetésre: az entrópia. A termodinamika második alaptörvénye az entrópia felhasználásával a következőképpen fogalmazható meg: a magukra hagyott rendszerek entrópiája spontán folyamatokkal nem csökkenhet.

III. főtétel

Nernst megfogalmazása szerint az abszolút tiszta kristályos anyagok entrópiája nulla kelvin hőmérsékleten zérus.

Források

• Litz József: Hőtan
• Hraskó Péter: Termodinamika és statisztikus fizika

További információk

• Goldstein, Martin, and Inge F.. The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press (1993). ISBN 0-674-75325-9. OCLC 32826343  A nontechnical introduction, good on historical and interpretive matters.
• Kazakov, Andrei (2008. augusztus 1.). „Web Thermo Tables – an On-Line Version of the TRC Thermodynamic Tables”. Journal of Research of the National Institutes of Standards and Technology 113 (4), 209–220. o. 
• Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A.. Thermodynamics – an Engineering Approach. McGraw Hill (2002). ISBN 0-07-238332-1. OCLC 45791449 52263994 57548906 
• Fermi, E. (1956). Thermodynamics, Dover, New York.
• Kittel, Charles & Kroemer, Herbert. Thermal Physics. W. H. Freeman Company (1980). ISBN 0-7167-1088-9. OCLC 32932988 48236639 5171399