Ұзақ уақыт бойы физиктер мен басқа ғылым өкілдері тәжірибе барысында байқаған нәрселерін сипаттау тәсіліне ие болды. Консенсустың болмауы және «көктен» алынған терминдердің көп болуы әріптестер арасында түсінбеушілік пен түсінбеушілікке әкелді. Уақыт өте келе физиканың әрбір саласы өзінің белгіленген анықтамалары мен өлшем бірліктеріне ие болды. Жүйедегі макроскопиялық өзгерістердің көпшілігін түсіндіретін термодинамикалық параметрлер осылай пайда болды.
Анықтама
Күй параметрлері немесе термодинамикалық параметрлер - бірге және әрқайсысы жеке бақыланатын жүйені сипаттай алатын физикалық шамалардың саны. Оларға келесідей ұғымдар кіреді:
- температура және қысым;
- концентрация, магниттік индукция;
- энтропия;
- энтальпия;
- Гиббс пен Гельмгольц энергиясы және басқалар.
Қарқынды және ауқымды параметрлерді таңдаңыз. Термодинамикалық жүйенің массасына тікелей тәуелді болып табылатындар кең, жәнеқарқынды – олар басқа критерийлермен анықталады. Барлық параметрлер бірдей тәуелсіз емес, сондықтан жүйенің тепе-теңдік күйін есептеу үшін бірден бірнеше параметрді анықтау қажет.
Сонымен қатар физиктер арасында терминологиялық келіспеушіліктер бар. Бір физикалық сипаттаманы әртүрлі авторлар процесс, немесе координат, шама, параметр, тіпті жай ғана қасиет деп атай алады. Мұның бәрі ғалымның оны қолданатын мазмұнға байланысты. Бірақ кейбір жағдайларда құжаттарды, оқулықтарды немесе тапсырыстарды әзірлеушілер орындауы тиіс стандартталған ұсыныстар бар.
Жіктеу
Термодинамикалық параметрлердің бірнеше классификациясы бар. Сонымен, бірінші абзацқа сүйене отырып, барлық шамаларды келесіге бөлуге болатыны белгілі болды:
- экстенсивті (қоспа) – мұндай заттар қосу заңына бағынады, яғни олардың мәні ингредиенттер санына байланысты;
- интенсивті - олар реакцияға қанша зат алынғанына байланысты емес, өйткені олар өзара әрекеттесу кезінде тураланады.
Жүйені құрайтын заттардың орналасу жағдайларына байланысты шамаларды фазалық реакциялар мен химиялық реакцияларды сипаттайтындарға бөлуге болады. Сонымен қатар, әрекеттесуші заттардың қасиеттерін ескеру қажет. Олар мыналар болуы мүмкін:
- термомеханикалық;
- термофизикалық;
- термохимиялық.
Бұдан басқа, кез келген термодинамикалық жүйе белгілі бір функцияны орындайды, сондықтан параметрлерреакция нәтижесінде түзілетін жұмысты немесе жылуды сипаттайды, сонымен қатар бөлшектердің массасын тасымалдауға қажетті энергияны есептеуге мүмкіндік береді.
Күй айнымалылары
Кез келген жүйенің күйін, соның ішінде термодинамикалық, оның қасиеттерінің немесе сипаттамаларының жиынтығы арқылы анықтауға болады. Уақыттың белгілі бір сәтінде ғана толық анықталатын және жүйенің дәл осы күйге қалай келгеніне тәуелді емес барлық айнымалылар термодинамикалық күй параметрлері (айнымалылар) немесе күй функциялары деп аталады.
Айнымалы функциялар уақыт өте өзгермейтін болса, жүйе стационарлық болып саналады. Тұрақты күйдің бір нұсқасы - термодинамикалық тепе-теңдік. Жүйедегі кез келген, тіпті ең кішкентай өзгеріс қазірдің өзінде процесс болып табылады және ол бірден бірнеше айнымалы термодинамикалық күй параметрлерін қамтуы мүмкін. Жүйе күйлерінің бір-біріне үздіксіз ауысу реттілігі "процесс жолы" деп аталады.
Өкінішке орай, терминдермен әлі де шатасу бар, өйткені бір айнымалы тәуелсіз әрі бірнеше жүйелік функцияларды қосу нәтижесі болуы мүмкін. Сондықтан "күй функциясы", "күй параметрі", "күй айнымалысы" сияқты терминдерді синонимдер ретінде қарастыруға болады.
Температура
Термодинамикалық жүйе күйінің тәуелсіз параметрлерінің бірі – температура. Бұл бөлшектердің бірлігіне шаққандағы кинетикалық энергияның мөлшерін сипаттайтын шаматепе-теңдіктегі термодинамикалық жүйе.
Егер ұғымның анықтамасына термодинамика тұрғысынан қарайтын болсақ, онда температура жүйеге жылу (энергия) қосқаннан кейінгі энтропияның өзгеруіне кері пропорционал шама болады. Жүйе тепе-теңдікте болғанда, оның барлық «қатысушылары» үшін температура мәні бірдей болады. Температура айырмашылығы болса, энергияны ыстық дене бөліп шығарады, ал одан да суық дене сіңіреді.
Энергияны қосқанда тәртіпсіздік (энтропия) өспей, керісінше төмендейтін термодинамикалық жүйелер бар. Сонымен қатар, егер мұндай жүйе температурасы өзінен жоғары денемен әрекеттессе, онда ол өзінің кинетикалық энергиясын осы денеге береді, керісінше емес (термодинамика заңдарына негізделген).
Қысым
Қысым – денеге әсер ететін, оның бетіне перпендикуляр болатын күшті сипаттайтын шама. Бұл параметрді есептеу үшін күштің барлық мөлшерін объектінің ауданына бөлу керек. Бұл күштің өлшем бірліктері паскаль болады.
Термодинамикалық параметрлер жағдайында газ оған қол жетімді бүкіл көлемді алады, сонымен қатар оны құрайтын молекулалар үнемі ретсіз қозғалады және бір-бірімен және олар орналасқан ыдыспен соқтығысады.. Дәл осы әсерлер заттың ыдыстың қабырғаларына немесе газға орналастырылған денеге қысымын анықтайды. Күш барлық бағытта бірдей таралады, өйткені болжау мүмкін емесмолекулалық қозғалыстар. Қысымды арттыру үшін жүйенің температурасын көтеру керек және керісінше.
Ішкі энергия
Жүйенің массасына тәуелді негізгі термодинамикалық параметрлерге ішкі энергия жатады. Ол зат молекулаларының қозғалысына байланысты кинетикалық энергиядан, сондай-ақ молекулалар бір-бірімен әрекеттескенде пайда болатын потенциалдық энергиядан тұрады.
Бұл параметр бір мағыналы. Яғни, ішкі энергияның мәні жүйе қалаған күйде болғанда, оған (күйге) қандай жолмен жеткеніне қарамастан тұрақты болады.
Ішкі энергияны өзгерту мүмкін емес. Бұл жүйе бөлетін жылудың және ол өндіретін жұмыстың қосындысы. Кейбір процестер үшін температура, энтропия, қысым, потенциал және молекулалар саны сияқты басқа параметрлер ескеріледі.
Энтропия
Термодинамиканың екінші заңы оқшауланған жүйенің энтропиясы төмендемейтінін айтады. Басқа тұжырымдау, энергия ешқашан температурасы төмен денеден ыстық денеге өтпейді. Бұл, өз кезегінде, мәңгілік қозғалыс машинасын жасау мүмкіндігін жоққа шығарады, өйткені денеге бар барлық энергияны жұмысқа ауыстыру мүмкін емес.
«Энтропия» ұғымының өзі 19 ғасырдың ортасында қолданысқа енгізілді. Содан кейін ол жылу мөлшерінің жүйе температурасына өзгеруі ретінде қабылданды. Бірақ бұл анықтамаға ғана қатыстыүнемі тепе-теңдікте болатын процестер. Бұдан мынадай қорытынды жасауға болады: егер жүйені құрайтын денелердің температурасы нөлге ұмтылса, онда энтропия да нөлге тең болады.
Энтропия газ күйінің термодинамикалық параметрі ретінде бөлшектер қозғалысының кездейсоқтық, кездейсоқтық өлшемінің көрсеткіші ретінде қолданылады. Ол белгілі бір аумақта және ыдыста молекулалардың таралуын анықтау үшін немесе заттың иондары арасындағы әсерлесудің электромагниттік күшін есептеу үшін қолданылады.
Энтальпия
Энтальпия – тұрақты қысымда жылуға (немесе жұмысқа) айналуы мүмкін энергия. Бұл зерттеуші энтропия деңгейін, молекулалар санын және қысымды білсе, тепе-теңдіктегі жүйенің потенциалы.
Егер идеал газдың термодинамикалық параметрі көрсетілсе, энтальпияның орнына «кеңейтілген жүйенің энергиясы» сөзі қолданылады. Бұл мәнді өзімізге түсіндіруді жеңілдету үшін біз поршеньмен біркелкі сығылған газ толтырылған ыдысты елестете аламыз (мысалы, іштен жанатын қозғалтқыш). Бұл жағдайда энтальпия заттың ішкі энергиясына ғана емес, сонымен қатар жүйені қажетті күйге келтіру үшін атқарылуы тиіс жұмысқа тең болады. Бұл параметрді өзгерту тек жүйенің бастапқы және соңғы күйіне байланысты және оны қабылдау тәсілі маңызды емес.
Гиббс энергиясы
Термодинамикалық параметрлер мен процестер көп жағдайда жүйені құрайтын заттардың энергетикалық потенциалымен байланысты. Сонымен, Гиббс энергиясы жүйенің жалпы химиялық энергиясының эквиваленті болып табылады. Ол химиялық реакциялар барысында қандай өзгерістер болатынын және заттардың өзара әрекеттесетінін көрсетеді.
Реакция барысында жүйенің энергия мөлшері мен температурасының өзгеруі энтальпия және энтропия сияқты ұғымдарға әсер етеді. Бұл екі параметр арасындағы айырмашылық Гиббс энергиясы немесе изобарлық-изотермиялық потенциал деп аталады.
Бұл энергияның ең аз мәні жүйе тепе-теңдікте болса және оның қысымы, температурасы және зат мөлшері өзгеріссіз қалса байқалады.
Гельмгольц энергиясы
Гельмгольц энергиясы (басқа көздер бойынша – тек бос энергия) – жүйе оған кірмейтін денелермен әрекеттесу кезінде жоғалатын энергияның потенциалды мөлшері.
Гельмгольц бос энергиясы концепциясы жүйенің қандай максималды жұмыс атқара алатынын, яғни заттар бір күйден екінші күйге ауысқанда қанша жылу бөлетінін анықтау үшін жиі пайдаланылады.
Егер жүйе термодинамикалық тепе-теңдік күйінде болса (яғни ол ешқандай жұмыс жасамаса), онда бос энергия деңгейі ең төменгі деңгейде болады. Бұл температура сияқты басқа параметрлерді өзгерту,қысым, бөлшектердің саны да болмайды.
