დიდი ხნის განმავლობაში ფიზიკოსებს და სხვა მეცნიერებების წარმომადგენლებს ჰქონდათ საშუალება აღეწერათ რას აკვირდებოდნენ თავიანთი ექსპერიმენტების დროს. კონსენსუსის ნაკლებობამ და დიდი რაოდენობით ტერმინების არსებობამ, რომლებიც ამოღებულნი არიან, გამოიწვია დაბნეულობა და გაუგებრობა კოლეგებში. დროთა განმავლობაში ფიზიკის თითოეულმა დარგმა შეიძინა თავისი დადგენილი განმარტებები და საზომი ერთეულები. ასე გაჩნდა თერმოდინამიკური პარამეტრები, რომლებიც ხსნიან სისტემის მაკროსკოპულ ცვლილებებს.
განმარტება
მდგომარეობის პარამეტრები, ან თერმოდინამიკური პარამეტრები, არის ფიზიკური სიდიდეების რიცხვი, რომლებიც ერთად და ცალ-ცალკე ახასიათებენ დაკვირვებულ სისტემას. ეს მოიცავს ცნებებს, როგორიცაა:
- ტემპერატურა და წნევა;
- კონცენტრაცია, მაგნიტური ინდუქცია;
- ენტროპია;
- ენთალპია;
- გიბსის და ჰელმჰოლცის ენერგიები და მრავალი სხვა.
აირჩიეთ ინტენსიური და ვრცელი პარამეტრები. ვრცელი არის ის, რაც პირდაპირ არის დამოკიდებული თერმოდინამიკური სისტემის მასაზე დაინტენსიური - რომლებიც განისაზღვრება სხვა კრიტერიუმებით. ყველა პარამეტრი არ არის თანაბრად დამოუკიდებელი, ამიტომ სისტემის წონასწორობის გამოსათვლელად საჭიროა ერთდროულად რამდენიმე პარამეტრის განსაზღვრა.
გარდა ამისა, არსებობს გარკვეული ტერმინოლოგიური უთანხმოება ფიზიკოსებს შორის. ერთი და იგივე ფიზიკური მახასიათებელი შეიძლება ეწოდოს სხვადასხვა ავტორს ან პროცესს, ან კოორდინატს, ან რაოდენობას, ან პარამეტრს, ან თუნდაც მხოლოდ თვისებას. ეს ყველაფერი დამოკიდებულია იმ შინაარსზე, რომელშიც მეცნიერი იყენებს მას. მაგრამ ზოგიერთ შემთხვევაში, არსებობს სტანდარტიზებული რეკომენდაციები, რომლებიც უნდა დაიცვან დოკუმენტების, სახელმძღვანელოების ან ბრძანებების შემქმნელებმა.
კლასიფიკაცია
არსებობს თერმოდინამიკური პარამეტრების რამდენიმე კლასიფიკაცია. ასე რომ, პირველი აბზაციდან გამომდინარე, უკვე ცნობილია, რომ ყველა რაოდენობა შეიძლება დაიყოს:
- ექსტენსიური (დანამატი) - ასეთი ნივთიერებები ემორჩილება დამატების კანონს, ანუ მათი ღირებულება დამოკიდებულია ინგრედიენტების რაოდენობაზე;
- ინტენსიური - ისინი არ არიან დამოკიდებული იმაზე, თუ რამდენი ნივთიერება იქნა მიღებული რეაქციისთვის, რადგან ისინი ურთიერთქმედების დროს სწორდებიან.
იმ პირობებიდან გამომდინარე, რომლებშიც მდებარეობს ნივთიერებები, რომლებიც ქმნიან სისტემას, რაოდენობები შეიძლება დაიყოს რაოდენობებად, რომლებიც აღწერს ფაზურ და ქიმიურ რეაქციებს. გარდა ამისა, მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული რეაქტიული ნივთიერებების თვისებები. ისინი შეიძლება იყოს:
- თერმომექანიკური;
- თერმოფიზიკური;
- თერმოქიმიური.
ამის გარდა, ნებისმიერი თერმოდინამიკური სისტემა ასრულებს გარკვეულ ფუნქციას, ამიტომ პარამეტრებს შეუძლიათდაახასიათეთ რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი სამუშაო ან სითბო და ასევე საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ ნაწილაკების მასის გადასატანად საჭირო ენერგია.
მდგომარეობის ცვლადები
ნებისმიერი სისტემის მდგომარეობა, მათ შორის თერმოდინამიკური, შეიძლება განისაზღვროს მისი თვისებების ან მახასიათებლების კომბინაციით. ყველა ცვლადს, რომელიც სრულად არის განსაზღვრული დროის კონკრეტულ მომენტში და არ არის დამოკიდებული იმაზე, თუ როგორ მივიდა სისტემა ამ მდგომარეობამდე, ეწოდება თერმოდინამიკური მდგომარეობის პარამეტრები (ცვლადები) ან მდგომარეობის ფუნქციები.
სისტემა ითვლება სტაციონალურად, თუ ცვლადი ფუნქციები არ იცვლება დროთა განმავლობაში. სტაბილური მდგომარეობის ერთ-ერთი ვერსია არის თერმოდინამიკური წონასწორობა. ნებისმიერი, თუნდაც ყველაზე მცირე ცვლილება სისტემაში, უკვე პროცესია და შეიძლება შეიცავდეს ერთიდან რამდენიმე ცვლადი თერმოდინამიკური მდგომარეობის პარამეტრებს. თანმიმდევრობას, რომელშიც სისტემის მდგომარეობები განუწყვეტლივ გადადიან ერთმანეთში, ეწოდება "პროცესის გზა".
სამწუხაროდ, ჯერ კიდევ არის დაბნეულობა ტერმინებთან, ვინაიდან ერთი და იგივე ცვლადი შეიძლება იყოს როგორც დამოუკიდებელი, ასევე რამდენიმე სისტემის ფუნქციის დამატების შედეგი. მაშასადამე, ისეთი ტერმინები, როგორიცაა "მდგომარეობის ფუნქცია", "მდგომარეობის პარამეტრი", "მდგომარეობის ცვლადი" შეიძლება ჩაითვალოს სინონიმებად.
ტემპერატურა
თერმოდინამიკური სისტემის მდგომარეობის ერთ-ერთი დამოუკიდებელი პარამეტრი არის ტემპერატურა. ეს არის მნიშვნელობა, რომელიც ახასიათებს კინეტიკური ენერგიის რაოდენობას ნაწილაკების ერთეულზეთერმოდინამიკური სისტემა წონასწორობაში.
თუ ცნების განმარტებას მივუდგებით თერმოდინამიკის თვალსაზრისით, მაშინ ტემპერატურა არის სიდიდე, რომელიც უკუპროპორციულია ენტროპიის ცვლილების შემდეგ სისტემაში სითბოს (ენერგიის) დამატების შემდეგ. როდესაც სისტემა წონასწორობაშია, ტემპერატურის მნიშვნელობა მისი ყველა „მონაწილისთვის“ერთნაირია. თუ არსებობს ტემპერატურის სხვაობა, მაშინ ენერგია გამოიყოფა უფრო ცხელი სხეულის მიერ და შეიწოვება ცივი სხეულის მიერ.
არსებობს თერმოდინამიკური სისტემები, რომლებშიც ენერგიის დამატებისას უწესრიგობა (ენტროპია) არ იზრდება, არამედ მცირდება. გარდა ამისა, თუ ასეთი სისტემა ურთიერთქმედებს სხეულთან, რომლის ტემპერატურაც მასზე მეტია, მაშინ ის თავის კინეტიკურ ენერგიას დაუთმობს ამ სხეულს და არა პირიქით (თერმოდინამიკის კანონებზე დაყრდნობით).
წნევა
წნევა არის სიდიდე, რომელიც ახასიათებს სხეულზე მოქმედ ძალას, მის ზედაპირზე პერპენდიკულარული. ამ პარამეტრის გამოსათვლელად აუცილებელია ძალის მთელი ოდენობის გაყოფა ობიექტის ფართობზე. ამ ძალის ერთეულები იქნება პასკალი.
თერმოდინამიკური პარამეტრების შემთხვევაში, აირი იკავებს მის ხელთ არსებულ მთელ მოცულობას და, გარდა ამისა, მოლეკულები, რომლებიც მას ქმნიან, მუდმივად მოძრაობენ შემთხვევით და ეჯახებიან ერთმანეთს და ჭურჭელს, რომელშიც ისინი მდებარეობს.. სწორედ ეს ზემოქმედება განსაზღვრავს ნივთიერების წნევას ჭურჭლის კედლებზე ან სხეულზე, რომელიც მოთავსებულია გაზში. ძალა თანაბრად ვრცელდება ყველა მიმართულებით, ზუსტად არაპროგნოზირებადის გამომოლეკულური მოძრაობები. წნევის გასაზრდელად თქვენ უნდა გაზარდოთ სისტემის ტემპერატურა და პირიქით.
შიდა ენერგია
მთავარი თერმოდინამიკური პარამეტრები, რომლებიც დამოკიდებულია სისტემის მასაზე, მოიცავს შიდა ენერგიას. იგი შედგება ნივთიერების მოლეკულების მოძრაობის გამო გამოწვეული კინეტიკური ენერგიისგან, ასევე პოტენციური ენერგიისგან, რომელიც ჩნდება მოლეკულების ერთმანეთთან ურთიერთქმედებისას.
ეს პარამეტრი ცალსახაა. ანუ, შიდა ენერგიის მნიშვნელობა მუდმივია, როდესაც სისტემა სასურველ მდგომარეობაშია, მიუხედავად იმისა, თუ რა გზით მიაღწიეს მას (მდგომარეობას).
შეუძლებელია შინაგანი ენერგიის შეცვლა. ეს არის სისტემის მიერ გამოყოფილი სითბოს ჯამი და მისი წარმოქმნილი სამუშაო. ზოგიერთი პროცესისთვის გათვალისწინებულია სხვა პარამეტრები, როგორიცაა ტემპერატურა, ენტროპია, წნევა, პოტენციალი და მოლეკულების რაოდენობა.
ენტროპია
თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ იზოლირებული სისტემის ენტროპია არ მცირდება. სხვა ფორმულირება ამტკიცებს, რომ ენერგია არასოდეს გადადის დაბალი ტემპერატურის მქონე სხეულიდან უფრო ცხელზე. ეს, თავის მხრივ, უარყოფს მუდმივი მოძრაობის მანქანის შექმნის შესაძლებლობას, რადგან შეუძლებელია სხეულისთვის ხელმისაწვდომი მთელი ენერგიის გადატანა სამუშაოდ.
„ენტროპიის“ცნება გამოყენებული იქნა მე-19 საუკუნის შუა ხანებში. შემდეგ იგი აღიქმებოდა, როგორც სითბოს რაოდენობის ცვლილება სისტემის ტემპერატურამდე. მაგრამ ეს განმარტება ეხება მხოლოდპროცესები, რომლებიც მუდმივად წონასწორობაშია. აქედან შეგვიძლია გამოვიტანოთ შემდეგი დასკვნა: თუ სისტემას შემადგენელი სხეულების ტემპერატურა ნულისკენ მიისწრაფვის, მაშინ ენტროპიაც ნულის ტოლი იქნება..
ენტროპია, როგორც აირის მდგომარეობის თერმოდინამიკური პარამეტრი, გამოიყენება შემთხვევითობის, ნაწილაკების მოძრაობის შემთხვევითობის საზომის აღსანიშნავად. იგი გამოიყენება მოლეკულების განაწილების დასადგენად გარკვეულ არეალსა და ჭურჭელში, ან ნივთიერების იონებს შორის ურთიერთქმედების ელექტრომაგნიტური ძალის გამოსათვლელად.
ენთალპია
ენთალპია არის ენერგია, რომელიც შეიძლება გარდაიქმნას სითბოდ (ან სამუშაოდ) მუდმივი წნევით. ეს არის სისტემის პოტენციალი, რომელიც წონასწორობაშია, თუ მკვლევარმა იცის ენტროპიის დონე, მოლეკულების რაოდენობა და წნევა.
თუ იდეალური აირის თერმოდინამიკური პარამეტრია მითითებული, ენთალპიის ნაცვლად გამოიყენება ფორმულირება „გაფართოებული სისტემის ენერგია“. იმისათვის, რომ გავუადვილოთ საკუთარ თავს ამ მნიშვნელობის ახსნა, შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ გაზით სავსე ჭურჭელი, რომელიც ერთნაირად შეკუმშულია დგუშით (მაგალითად, შიდაწვის ძრავით). ამ შემთხვევაში, ენთალპია ტოლი იქნება არა მხოლოდ ნივთიერების შინაგან ენერგიასთან, არამედ იმ სამუშაოსთან, რომელიც უნდა გაკეთდეს სისტემის საჭირო მდგომარეობაში მოსაყვანად. ამ პარამეტრის შეცვლა დამოკიდებულია მხოლოდ სისტემის საწყის და საბოლოო მდგომარეობაზე და მისი მიღების გზას მნიშვნელობა არ აქვს.
გიბსის ენერგია
თერმოდინამიკური პარამეტრები და პროცესები, უმეტესწილად, დაკავშირებულია სისტემის შემადგენელი ნივთიერებების ენერგეტიკულ პოტენციალთან. ამრიგად, გიბსის ენერგია არის სისტემის მთლიანი ქიმიური ენერგიის ექვივალენტი. ის გვიჩვენებს, რა ცვლილებები მოხდება ქიმიური რეაქციების დროს და ურთიერთქმედებენ თუ არა ნივთიერებები საერთოდ.
რეაქციის მიმდინარეობისას სისტემის ენერგიის რაოდენობისა და ტემპერატურის ცვლილება გავლენას ახდენს ისეთ ცნებებზე, როგორიცაა ენთალპია და ენტროპია. ამ ორ პარამეტრს შორის განსხვავებას გიბსის ენერგია ან იზობარულ-იზოთერმული პოტენციალი ეწოდება.
ამ ენერგიის მინიმალური მნიშვნელობა შეინიშნება, თუ სისტემა წონასწორობაშია და მისი წნევა, ტემპერატურა და მატერიის რაოდენობა უცვლელი რჩება.
ჰელმჰოლცის ენერგია
ჰელმჰოლცის ენერგია (სხვა წყაროების მიხედვით - უბრალოდ თავისუფალი ენერგია) არის ენერგიის პოტენციური რაოდენობა, რომელიც დაიკარგება სისტემის მიერ მასში არ შემავალ სხეულებთან ურთიერთობისას.
ჰელმჰოლცის თავისუფალი ენერგიის კონცეფცია ხშირად გამოიყენება იმის დასადგენად, თუ რა მაქსიმალური სამუშაო შეუძლია შეასრულოს სისტემამ, ანუ რამდენი სითბო გამოიყოფა, როდესაც ნივთიერებები იცვლება ერთი მდგომარეობიდან მეორეში.
თუ სისტემა თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაშია (ანუ არანაირ სამუშაოს არ ასრულებს), მაშინ თავისუფალი ენერგიის დონე მინიმუმამდეა. ეს ნიშნავს, რომ იცვლება სხვა პარამეტრები, როგორიცაა ტემპერატურა,წნევა, ნაწილაკების რაოდენობა ასევე არ ხდება.
