لفترة طويلة ، كان لدى الفيزيائيين وممثلي العلوم الأخرى طريقة لوصف ما يلاحظونه في سياق تجاربهم. أدى عدم وجود توافق في الآراء ووجود عدد كبير من المصطلحات المأخوذة "من فراغ" إلى الارتباك وسوء التفاهم بين الزملاء. بمرور الوقت ، اكتسب كل فرع من فروع الفيزياء تعريفاته ووحدات القياس المحددة. هكذا ظهرت المعلمات الديناميكية الحرارية ، موضحة معظم التغييرات العيانية في النظام.
التعريف
معلمات الحالة ، أو المعلمات الديناميكية الحرارية ، هي عدد من الكميات الفيزيائية التي يمكن أن تميز النظام المرصود معًا ولكل على حدة. وتشمل مفاهيم مثل:
- درجة الحرارة والضغط ؛
- تركيز ، الحث المغناطيسي ؛
- إنتروبيا ؛
- المحتوى الحراري ؛
- طاقات جيبس وهلمهولتز وغيرها الكثير
حدد المعلمات المكثفة والشاملة. واسعة النطاق هي تلك التي تعتمد بشكل مباشر على كتلة النظام الديناميكي الحراري ، ومكثف - والتي تحددها معايير أخرى. ليست كل المعلمات مستقلة بشكل متساوٍ ، لذلك ، من أجل حساب حالة توازن النظام ، من الضروري تحديد العديد من المعلمات في وقت واحد.
بالإضافة إلى ذلك ، هناك بعض الخلافات الاصطلاحية بين علماء الفيزياء. يمكن استدعاء نفس الخاصية الفيزيائية من قبل مؤلفين مختلفين إما عملية ، أو إحداثي ، أو كمية ، أو معلمة ، أو حتى مجرد خاصية. كل هذا يتوقف على المحتوى الذي يستخدمه العالم. لكن في بعض الحالات ، هناك توصيات موحدة يجب أن يلتزم بها واضعو الوثائق أو الكتب المدرسية أو الطلبات.
التصنيف
هناك عدة تصنيفات للمعلمات الديناميكية الحرارية. لذلك ، بناءً على الفقرة الأولى ، من المعروف بالفعل أنه يمكن تقسيم جميع الكميات إلى:
- واسع (مضاف) - تخضع هذه المواد لقانون الإضافة ، أي أن قيمتها تعتمد على عدد المكونات ؛
- شديد - لا يعتمدون على مقدار المادة التي تم تناولها للتفاعل ، حيث يتم محاذاة أثناء التفاعل.
بناءً على الظروف التي توجد فيها المواد التي يتكون منها النظام ، يمكن تقسيم الكميات إلى تلك التي تصف تفاعلات الطور والتفاعلات الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مراعاة خصائص المواد المتفاعلة. يمكن أن تكون:
- ميكانيكي حراري
- فيزيائي حراري ؛
- حراري كيميائي.
إلى جانب ذلك ، يؤدي أي نظام ديناميكي حراري وظيفة معينة ، لذلك يمكن للمعلماتقم بتمييز العمل أو الحرارة الناتجة عن التفاعل ، وتسمح لك أيضًا بحساب الطاقة المطلوبة لنقل كتلة الجسيمات.
متغيرات الحالة
يمكن تحديد حالة أي نظام ، بما في ذلك الديناميكا الحرارية ، من خلال مجموعة من خصائصه أو خصائصه. جميع المتغيرات التي يتم تحديدها بالكامل فقط في وقت معين ولا تعتمد على كيفية وصول النظام إلى هذه الحالة بالضبط تسمى معلمات الحالة الديناميكية الحرارية (المتغيرات) أو وظائف الحالة.
يعتبر النظام ثابتًا إذا لم تتغير الوظائف المتغيرة بمرور الوقت. نسخة واحدة من الحالة المستقرة هي التوازن الديناميكي الحراري. أي ، حتى أصغر تغيير في النظام ، هو بالفعل عملية ، ويمكن أن يحتوي من واحد إلى عدة متغيرات الحالة الديناميكية الحرارية. يسمى التسلسل الذي تنتقل فيه حالات النظام باستمرار إلى بعضها البعض "مسار العملية".
لسوء الحظ ، لا يزال هناك ارتباك في المصطلحات ، حيث يمكن أن يكون المتغير نفسه مستقلاً ونتيجة لإضافة عدة وظائف للنظام. لذلك ، يمكن اعتبار مصطلحات مثل "دالة الحالة" و "معلمة الحالة" و "متغير الحالة" كمرادفات.
درجة الحرارة
درجة الحرارة هي إحدى المعلمات المستقلة لحالة النظام الديناميكي الحراري. إنها القيمة التي تميز مقدار الطاقة الحركية لكل وحدة من الجسيمات فينظام ديناميكي حراري في حالة توازن.
إذا اقتربنا من تعريف المفهوم من وجهة نظر الديناميكا الحرارية ، فإن درجة الحرارة هي قيمة تتناسب عكسياً مع التغير في الانتروبيا بعد إضافة الحرارة (الطاقة) إلى النظام. عندما يكون النظام في حالة توازن ، تكون قيمة درجة الحرارة واحدة لجميع "المشاركين". إذا كان هناك اختلاف في درجة الحرارة ، فإن الطاقة تنبعث من الجسم الأكثر سخونة ويمتصها الجسم الأكثر برودة.
هناك أنظمة ديناميكية حرارية حيث عند إضافة الطاقة ، لا يزيد الفوضى (الإنتروبيا) ، بل يتناقص. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تفاعل مثل هذا النظام مع جسم تزيد درجة حرارته عن درجة حرارته ، فإنه سيتخلى عن طاقته الحركية لهذا الجسم ، وليس العكس (بناءً على قوانين الديناميكا الحرارية).
الضغط
الضغط هو الكمية التي تميز القوة المؤثرة على الجسم ، عموديًا على سطحه. لحساب هذه المعلمة ، من الضروري تقسيم مقدار القوة بالكامل على مساحة الكائن. وحدات هذه القوة ستكون باسكال.
في حالة المعلمات الديناميكية الحرارية ، يحتل الغاز الحجم الكامل المتاح له ، بالإضافة إلى أن الجزيئات التي يتكون منها تتحرك باستمرار بشكل عشوائي وتتصادم مع بعضها ومع الوعاء الذي توجد فيه. هذه التأثيرات هي التي تحدد ضغط المادة على جدران الوعاء أو الجسم الذي يتم وضعه في الغاز. تنتشر القوة بالتساوي في جميع الاتجاهات على وجه التحديد بسبب ما لا يمكن التنبؤ بهالحركات الجزيئية. لزيادة الضغط يجب رفع درجة حرارة النظام والعكس صحيح.
الطاقة الداخلية
تشمل المعلمات الديناميكية الحرارية الرئيسية التي تعتمد على كتلة النظام الطاقة الداخلية. وتتكون من الطاقة الحركية الناتجة عن حركة جزيئات المادة ، وكذلك من الطاقة الكامنة التي تظهر عندما تتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض.
هذه المعلمة لا لبس فيها. أي أن قيمة الطاقة الداخلية ثابتة كلما كان النظام في الحالة المرغوبة ، بغض النظر عن الطريقة التي تم الوصول إليها (الحالة).
من المستحيل تغيير الطاقة الداخلية. هو مجموع الحرارة المنبعثة من النظام والعمل الذي ينتجه. بالنسبة لبعض العمليات ، يتم أخذ معلمات أخرى في الاعتبار ، مثل درجة الحرارة والنتروبيا والضغط والإمكانات وعدد الجزيئات.
إنتروبيا
ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا النظام المعزول لا تنقص. صيغة أخرى تفترض أن الطاقة لا تنتقل أبدًا من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم أكثر سخونة. وهذا بدوره ينفي إمكانية إنشاء آلة دائمة الحركة ، لأنه من المستحيل تحويل كل الطاقة المتاحة للجسم إلى عمل.
تم تقديم مفهوم "الإنتروبيا" نفسه للاستخدام في منتصف القرن التاسع عشر. ثم كان يُنظر إليه على أنه تغيير في كمية الحرارة إلى درجة حرارة النظام. لكن هذا التعريف ينطبق فقط علىالعمليات التي هي في حالة توازن باستمرار. من هذا يمكننا استخلاص النتيجة التالية: إذا كانت درجة حرارة الأجسام التي يتكون منها النظام تميل إلى الصفر ، فإن الإنتروبيا ستكون أيضًا مساوية للصفر.
يتم استخدام الانتروبيا كمعامل ديناميكي حراري لحالة الغاز كمؤشر على قياس العشوائية والعشوائية لحركة الجسيمات. يتم استخدامه لتحديد توزيع الجزيئات في منطقة وأوعية معينة ، أو لحساب القوة الكهرومغناطيسية للتفاعل بين أيونات مادة ما.
المحتوى الحراري
المحتوى الحراري هو الطاقة التي يمكن تحويلها إلى حرارة (أو عمل) تحت ضغط ثابت. هذه هي إمكانات النظام الذي يكون في حالة توازن إذا كان الباحث يعرف مستوى الانتروبيا وعدد الجزيئات والضغط.
إذا تمت الإشارة إلى المعلمة الديناميكية الحرارية للغاز المثالي ، فبدلاً من المحتوى الحراري ، يتم استخدام عبارة "طاقة النظام الموسع". من أجل تسهيل شرح هذه القيمة لأنفسنا ، يمكننا تخيل وعاء مليء بالغاز ، يتم ضغطه بشكل موحد بواسطة مكبس (على سبيل المثال ، محرك احتراق داخلي). في هذه الحالة ، سيكون المحتوى الحراري مساويًا ليس فقط للطاقة الداخلية للمادة ، ولكن أيضًا للعمل الذي يجب القيام به لإحضار النظام إلى الحالة المطلوبة. يعتمد تغيير هذه المعلمة فقط على الحالة الأولية والنهائية للنظام ، ولا يهم الطريقة التي سيتم استلامها بها.
جيبس للطاقة
المعلمات والعمليات الديناميكية الحرارية ، في معظمها ، مرتبطة بقدرات الطاقة للمواد التي يتكون منها النظام. وبالتالي ، فإن طاقة جيبس هي ما يعادل إجمالي الطاقة الكيميائية للنظام. يوضح التغييرات التي ستحدث في سياق التفاعلات الكيميائية وما إذا كانت المواد ستتفاعل على الإطلاق.
يؤثر تغيير كمية الطاقة ودرجة حرارة النظام أثناء سير التفاعل على مفاهيم مثل المحتوى الحراري والنتروبيا. سيطلق على الفرق بين هاتين المعلمتين اسم طاقة جيبس أو جهد متساوي الضغط.
يتم ملاحظة الحد الأدنى لقيمة هذه الطاقة إذا كان النظام في حالة توازن ، وضغطه ودرجة حرارته وكميته لم يتغير.
Helmholtz الطاقة
طاقة Helmholtz (وفقًا لمصادر أخرى - الطاقة المجانية فقط) هي المقدار المحتمل للطاقة التي سيفقدها النظام عند التفاعل مع الأجسام غير المدرجة فيه.
غالبًا ما يستخدم مفهوم الطاقة الحرة Helmholtz لتحديد أقصى عمل يمكن أن يؤديه النظام ، أي مقدار الحرارة المنبعثة عندما تتغير المواد من حالة إلى أخرى.
إذا كان النظام في حالة توازن ديناميكي حراري (أي أنه لا يقوم بأي عمل) ، فإن مستوى الطاقة الحرة يكون عند الحد الأدنى. هذا يعني أن تغيير المعلمات الأخرى ، مثل درجة الحرارة ،الضغط ، كما أن عدد الجسيمات لا يحدث
