Thermodynamica

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Ga naar: navigatie, zoeken

Thermodynamica (van het het Griekse "thermos", warmte en "dynamis", vermogen) is het onderdeel van de natuurkunde dat de interacties bestudeert tussen grote verzamelingen van deeltjes op een macroscopisch niveau. De thermodynamica vindt zijn oorsprong in de praktische behoefte de efficiëntie van stoommachines te verbeteren. In algemene theoretische zin is het object van studie in de thermodynamica een complex systeem, en meer in het bijzonder een systeem dat gescheiden is van zijn omgeving door een grens. In de moderne thermodynamica wordt dit systeem beschreven als bestaande uit vele chaotisch bewegende deeltjes (moleculen, atomen, of elektronen). Deze moderne omschrijving wordt aangeduid als statistische thermodynamica. De klassieke thermodynamica houdt zich niet bezig met de individuele deeltjes waaruit een systeem bestaat, maar alleen met eigenschappen die in feite statistische gemiddelden zijn over het gedrag van een zeer groot aantal deeltjes, zoals druk, temperatuur, volume, entropie, etc. Het feit dat de microscopische structuur van een systeem niet relevant is, geeft de thermodynamica haar kracht en brede toepassingsgebied.

De klassieke thermodynamica, die in essentie in de 19e eeuw is ontwikkeld, geeft alleen van reversibele, ofwel omkeerbare processen een kwantitatieve beschrijving. Vaak worden deze processen omschreven als een oneindige reeks van oneindig dicht bij elkaar liggende evenwichtstoestanden; een dergelijk proces wordt een quasistatisch proces genoemd. Van veel recentere datum is de irreversibele thermodynamica, waarvan Ilya Prigogine een grondlegger is. Hij kreeg hiervoor in 1977 de Nobelprijs voor scheikunde.

De thermodynamica heeft een breed toepassingsgebied in de wetenschap en techniek, o.a. gasexpansie, faseovergangen, materiaaleigenschappen, chemische reacties, transportverschijnselen, oplossingen, en zelfs zwarte gaten. Daarmee is die een zeer belangrijk onderdeel van natuurkunde, de scheikunde en de biologie.

Inhoud

[bewerken] Basisbegrippen

[bewerken] Systeem

Een basisconcept van de thermodynamica is het thermodynamisch systeem. Een systeem omvat alles binnen een gedefinieerde grens; alles buiten deze grens wordt de omgeving genoemd. De omgeving kan ook weer als een systeem worden opgevat, en in meest ultieme vorm is de omgeving het heelal dat zich niet binnen het systeem bevindt. De grens kan een werkelijke fysieke grens zijn zoals de wand van een ketel, maar kan ook virtueel zijn. In ieder geval definieert de grens een eindig volume. Alle mogelijke interacties tussen het systeem en zijn omgeving van arbeid, warmte en materie, vinden plaats door deze grens. We onderscheiden vier hoofdklassen systemen:

  1. gesloten systeem: - er passeert geen materie door de grens van het systeem.
  2. open systeem: - materie passeert de grens van het systeem.
  3. adiabatisch systeem: - er passeert geen warmte door de grens van het systeem (arbeid dus mogelijk wel). Er bestaan zowel adiabatische open systemen als adiabatische gesloten systemen.
  4. geïsoleerd systeem: - materie noch enige vorm van energie (zoals arbeid of warmte) passeert de grens.

Geïsoleerde systemen zullen zich in de loop der tijd naar een toestand van thermodynamisch evenwicht bewegen: druk-, dichtheids- en temperatuurverschillen zullen verdwijnen. In een systeem in evenwicht zullen per definitie geen spontane veranderingen meer plaatsvinden. Evenwichtstoestanden zijn makkelijker te analyseren dan niet-evenwichtstoestanden. Daarom wordt, als dat kan, een thermodynamisch proces bij de analyse opgedeeld in opeenvolgende stappen die ieder op zich in evenwicht zijn. Een proces dat zo opgedeeld kan worden heet reversibel (omkeerbaar) te zijn.

[bewerken] Toestand

Indien een systeem in evenwicht is onder gegeven condities, is het in een bepaalde (evenwichts)toestand. Deze toestand kan worden beschreven door een aantal paren van extensieve en intensieve parameters. De verhouding tussen de verschillende variabelen wordt gegeven door de toestandsvergelijking.

[bewerken] Toestandsgrootheden

Eigenschappen van een systeem in evenwicht die aan elkaar gerelateerd zijn door toestandsvergelijkingen heten toestandsgrootheden. Direct meetbare toestandsgrootheden kunnen dus worden gebruikt voor het berekenen van niet direct meetbare, zoals de totale inwendige energie en andere thermodynamische potentialen, en daarmee indirect de condities voor thermisch evenwicht. Daarnaast zijn er eigenschappen die geen toestandsgrootheden zijn, zoals toegevoerde warmte en verrichte arbeid. Deze worden niet eenduidig bepaald door een evenwichtstoestand, maar door de weg (proces) waarlangs die evenwichtstoestand is bereikt. Hierbij moet bovendien onderscheid gemaakt worden tussen omkeerbare en niet-omkeerbare (spontane) processen. Het is mogelijk te voorspellen in welke richting spontane, niet-omkeerbare processen zullen verlopen.

Er kan bij de toestandsgrootheden bovendien onderscheid gemaakt worden tussen extensieve toestandsgrootheden, die evenredig zijn met de hoeveelheid materie (zoals volume en inwendige energie) en intensieve toestandsgrootheden, die dat niet zijn (zoals druk en temperatuur). Door extensieve toestandsgrootheden te delen door de hoeveelheid materie (massa of molaire eenheid) worden deze uitgedrukt als een intensieve grootheid; we spreken dan van bijvoorbeeld het specifiek volume of de specifieke inwendige energie.

[bewerken] Proces

Een thermodynamisch proces is de evolutie van een thermodynamisch systeem van een begintoestand naar een eindtoestand. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen reversibele en irreversibele processen; de klassieke thermodynamica houdt zich alleen met de eerste categorie bezig. Daarbinnen worden processen onderscheiden op grond de parameters die constant worden gehouden.

De bekendste zijn:

  1. Een isobaar proces: druk is constant.
  2. Een isochoor proces: volume is constant
  3. Een isotherm proces: temperatuur is constant
  4. Een isentroop proces: bij constante entropie
  5. Een adiabatisch proces: zonder winst of verlies van warmte.

[bewerken] Thermodynamische potentialen

Thermodynamische potentialen zijn toestandsparameters die de hoeveelheid energie aangeven die in een systeem opgeslagen zit. Vier belangrijke potentialen zijn:

Inwendige energie U\,
Helmholtz vrije energie F=U-TS\,
Enthalpie H=U+PV\,
Gibbs vrije energie G=U+PV-TS\,

Potentialen worden gebruikt om veranderingen in energie van het systeem te beschijven bij de evolutie van het systeem van begin- naar eindtoestand. Welke potentiaal relevant is, omdat die een extreme waarde heeft bij een evenwichtstoestand, is afhankelijk van de beperkingen die aan het proces zijn opgelegd, zoals constante temperatuur en druk (Gibbs), constante temperatuur en volume (Helmholtz) of alleen druk (enthalpie). Er zijn nog veel meer potentialen (in principe oneindig veel). Al deze potentialen kan men uit elkaar verkrijgen door het toepassen van een Legendre-transformatie. Omdat een Legendre-transformatie één-op-één is (elke functie heeft een unieke getransformeerde), gaat er geen informatie verloren bij de transformatie. Dit betekent dat alle potentialen dezelfde informatie bevatten. Desalniettemin is het soms handiger om met de ene potentiaal te werken en soms handiger om met de andere potentiaal te werken.

N.B. in de statistische fysica bestaan dergelijke transformaties ook. Om van het ene naar het andere ensemble te komen (in de limiet), worden Laplacetransformaties gebruikt.

[bewerken] Hoofdwetten

De "vier hoofdwetten van de thermodynamica" leggen verbanden tussen de grondbegrippen van de thermodynamica.

[bewerken] Nulde hoofdwet

De nulde hoofdwet gaat over het concept van temperatuur, en stelt:

Als twee systemen A en B beide in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem C, zijn A en B ook in thermisch evenwicht met elkaar, d.w.z. er vindt geen spontane warmte-uitwisseling plaats. Anders gezegd: de drie systemen hebben dezelfde temperatuur.

De vreemde nummering van "nulde hoofdwet"is historisch. Nadat de eerste tot en met de derde waren benoemd, realiseerde men zich dat het concept "temperatuur" niet zo voor de hand liggend was als gedacht en zelfs fundamenteler dan de andere concepten was. Daarom besloot men dat een expliciete definitie nodig was die logisch voorafgaat aan de andere drie.

[bewerken] Eerste hoofdwet

De eerste hoofdwet wordt ook wel de "wet van behoud van energie" genoemd. Deze luidt:

De toename van de inwendige energie plus de op de omgeving verrichte arbeid is gelijk aan de hoeveelheid toegevoerde warmte.

[bewerken] Tweede hoofdwet

De tweede hoofdwet gaat over het concept entropie. Het stelt, dat bij een omkeerbaar proces de toename van de entropie gelijk is aan de toegevoerde warmte gedeeld door de absolute temperatuur.

  • Als een begrensd systeem in samenhang met zijn omgeving een kringproces doorloopt, dus waarbij de eindtoestand van dat systeem identiek is aan de begintoestand, dan kan de totale entropie van het systeem plus omgeving nooit afnemen; bij een omkeerbaar (=quasi-statisch) kringproces blijft die constant, bij een niet-omkeerbaar proces neemt die toe.
  • Van een volledig geïsoleerd systeem (dus geen uitwisseling van warmte, materie of arbeid met de omgeving) kan de entropie alleen maar toenemen, totdat een evenwichtstoestand is bereikt. Daarna verandert de toestand niet meer.
  • toen de klassieke (fenomenologische) thermodynamica gefundeerd werd op de later ontwikkelde statistische mechanica, bleek de entropie een maat voor de waarschijnlijkheid te zijn van het gedrag van grote aantallen deeltjes. De tweede hoofdwet bleek toen in wezen een tautologie te zijn, die stelt dat een systeem dat bestaat uit een zeer groot aantal willekeurig bewegende deeltjes zich spontaan hoogstwaarschijnlijk ontwikkelt naar de waarschijnlijkste toestand.
  • Er is geen proces mogelijk met als enige resultaat de complete omzetting van warmte in arbeid (volgens Kelvin).
  • Er is geen proces mogelijk met als enige resultaat de overdracht van warmte van een kouder naar een warmer lichaam (volgens Clausius).

[bewerken] Derde hoofdwet

De derde hoofdwet gaat over het concept absoluut nulpunt, en zegt:

Alle thermodynamische processen stoppen als de temperatuur het absolute nulpunt nadert.

Deze wet is niet zo belangrijk als de eerste drie. Zijn belangrijkste consequentie is dat het niet mogelijk is om in een eindig aantal stappen het absolute nulpunt te bereiken.

[bewerken] Grondleggers van de thermodynamica

[bewerken] Trivia

Een grap onder wetenschappers vat de hoofdwetten samen:

0de : Je moet het spelletje meespelen.
1ste: Je kunt niet winnen.
2de : Je kunt niet eens gelijk spelen.
3de : Je mag niet ophouden met spelen.


Natuurkunde

Biofysica · Mechanica · Optica · Stromingsleer · Thermodynamica · Akoestiek · Elektriciteit · Astrofysica · Astronomie · Atoomfysica · Vastestoffysica · Plasmafysica · Kwantummechanica
Ontvangen van "http://nl.wikipedia.org/wiki/Thermodynamica"
Persoonlijke instellingen