Termodynamika

Titulní strana klíčové práce Sadi Carnota o termodynamice s titulem: Réflexions sur la puissance motrice du feu, et sur les machines propres à dèvelopper cette puissance

Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá procesy a vlastnostmi látek a polí spojených s teplem a tepelnými jevy vycházeje přitom z obecných principů přeměny energie, které jsou popsány třemi termodynamickými větami. Termodynamika se dále dělí na studium rovnovážných a nerovnovážných procesů. Historicky byl vývoj termodynamiky vedený touhou zvýšit efektivitu prvních parních strojů, která byla popsána v klíčové práci Úvahy o hybné síle ohně francouzského fyzika Sadi Carnota, často nazývaného otcem termodynamiky. O další rozvoj termodynamiky se zasadila formulace prvního a druhého zákona termodynamiky, na nichž se podíleli především lord Kelvin, Rudolf Clausius a William Rankine. Samotný termín termodynamika je prvně zachycen v roce 1849 v práci lorda Kelvina.

Obecný úvod

Termodynamika zkoumá vzájemné vztahy mezi veličinami, které charakterizují makroskopický stav systému a změny těchto veličin při fyzikálních dějích, které jsou obvykle spojeny s výměnou tepla s okolím soustavy. Mnohé z vlastností látky lze objasnit bez dokonalé znalosti její vnitřní struktury. Termodynamika byla využívána ještě dříve, než byla známa kinetická teorie látek. Vycházelo se z několika axiomaticky vyslovených (a experimentálně potvrzených) pouček, které, v souvislosti se známými vlastnostmi látek, posloužily k odvození dalších vlastností a vztahů. Tento přístup se nazývá fenomenologický. Stav látky se popisuje pomocí tzv. stavových veličin a rovnic, které určují vztahy mezi jednotlivými stavovými veličinami.

Mezi významnými oddíly termodynamiky můžeme jmenovat např. termochemii, která se zabývá tepelnými jevy při chemických reakcích.

Příbuzným fyzikálním oborem je statistická fyzika, která poskytuje objasnění podstaty termodynamických vztahů na základě zákonitostí chování velkého množství částic studovaného pomocí metod teorie pravděpodobnosti, přičemž vychází z předpokladů kinetické teorie látek, která je důležitou částí molekulové fyziky. Součástí termiky je vedle termodynamiky i termokinetika, zabývající se vedením a přestupem tepla.

Historie

Rudolf Clausius formuloval první a druhou větu termodynamiky (1850), zavedl pojem kruhových (1854), nevratných procesů (1862) a entropie (1865). Dokázal význam termodynamické metody v teorii elektrických jevů, např. u elektrolýzy, polarizace dielektrik a v termoelektřině.

Termodynamiku dále obohatili Kelvin, Rankine, Gibbs, Nernst a Planck. První jmenovaný - William Thomson známý jako lord Kelvin se již ve svých 22 letech stal profesorem „přírodní filozofie" na univerzitě v Glasgowě, kde zůstal až do své smrti. Ve svých 24 letech zavedl pojem absolutní teploty a teplotní stupnici, dnes po něm pojmenovanou. Podařilo se mu v roce 1851 formulovat samostatně druhou větu termodynamiky a zasazoval se o použití metod termodynamiky ve všech oblastech fyziky. V roce 1853 objevil s Joulem jev, který dnes nese jejich jména, a roku 1856 pak i Thomsonův jev. Teorie tohoto jevu se stala základem termodynamiky nevratných procesů. Odvodil taktéž relace pro závislost teploty varu kapalin na tlaku par a na dalších parametrech (1870).

Dalším průkopníkem v oblasti termodynamiky a statistické fyziky byl Američan Josiah Willard Gibbs, který přišel na teorii termodynamických potenciálů a odhalil světu pravidlo o koexistenci fází. Bohužel jeho mimořádná skromnost způsobila, že své práce publikoval jen v nevýznamných místních časopisech, takže jeho objevy nebyly před rokem 1892 vůbec známy.

O vnitřní energii a entropii látek v okolí absolutní nuly a o její nedosažitelnosti vyslovil Walther Hermann Nerst třetí větu termodynamiky (1905). Nernst byl špičkou oboru ve výzkumu nízkých teplot, ale působil též jako konstruktér různých přístrojů (např. Nernstovy lampy). Společně s Ostwaldem, van't Hoffem a Arrheniem byl Nerst jedním ze zakladatelů moderní chemické termodynamiky.

Nerstovo znění třetí věty termodynamiky dále zobecnil Max Planck (1910). Ten se ostatně podílel i na formulaci první a druhé věty termodynamiky a zasadil se o zdůraznění významu pojmu entropie, kterýžto pojem zavedl R. Clausius. Planck při svých snahách vypracovat termodynamiku záření dospěl ke svému slavnému zákonu o vyzařování černého tělesa, který byl jedním ze základních kamenů kvantové teorie.

Etymologie

Etymologie slova termodynamika má složitou historii. Zprvu bylo psáno ve formě s pomlčkou jako adjektivum (termo-dynamických) a 1854 až 1868 jako podstatné jméno termo-dynamika reprezentovalo vědu o zobecněných tepelných strojích. Součásti slova termodynamiky je odvozeno z řeckého slova θέρμη therme, což znamená teplo, a δύναμις dynamis, což znamená moc. Pierre Perrot tvrdí, že termín termodynamika byl vytvořen v roce 1858 Jamesem Joulem pro pojmenování vědy o vztazích mezi teplem a energií. Joule ale nikdy tento termín neužil, místo toho používá termín dokonalý-termo-dynamický stroj s odkazem na Thomsonovu frazeologii z r. 1849. V r. 1858 je již termín termo-dynamika jako ustálený pojem používán v článku William Thomsona "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat".

Aplikace termodynamiky

Téměř všechny činnosti a procesy v přírodě zahrnují interakce mezi hmotou a energií. Aplikace základních termodynamických principů má proto velký význam v mnoha technických a vědeckých oborech, ať už jde o lidské tělo, jaderné elektrárny či proudové motory, vše se musí řídit zákony termodynamiky. Následující text stručně popisuje některé oblasti aplikované termodynamiky.

Model motoru představující Wattovo dvojčinné paralelního propojení postavený Samuelem Pembertonem mezi 1880-1890. Zdá se, že neužívá Wattova výparníku.

• Inspirací termodynamiky byla zejména oblast problémů spjatých s tepelnými stroji. Primitivní parní stroje a turbíny vznikaly do značné míry náhodným experimentováním, efektivní stroj stvořil až James Watt. Zrod vědního oboru termodynamiky akceleroval vývoj technicky dokonalých parních strojů (druhá polovina 19. stol.) např. parní turbíny přetlakové (Charles Algernon Parsons) a akční (Gustaf de Laval). V téže době se datuje vznik i pro zážehové spalovací motory (Nikolaus Otto) či vznětové (Rudolf Diesel) a v neposlední řadě reaktivní motory, zejména raketové (Hermann Oberth, Wernher von Braun, Robert Esnault-Pelterie). Zdokonalení těchto strojů bylo možné jen se znalostí termodynamických pracovních cyklů, výpočtů účinnosti a dalších termodynamických parametrů. V neposlední řadě nelze pominout ani využití principů v chladicích strojích.
• V biotechnologických oborech, lékařských vědách a molekulární biologii lze s využitím principů klasické a statistické termodynamiky popsat vše od orgánů jako je srdce až po jednotlivé enzymy a bílkoviny. Pomocí termodynamických principů lze pochopit molekulární mechanismy celé řady biologických funkcí, jako je enzymatická katalýza, transdukce signálu či genová replikace.
• V meteorologii lze se znalostí termodynamiky atmosféry, přenosu tepla a mechaniky tekutin popsat a předvídat různé typy projevů počasí. Významným příkladem aplikace je předpověď bouřek, hurikánů a tropických cyklónů. Tropický cyklón může být modelován jako tepelný motor poháněný atmosférickými teplotními rozdíly. Teplý vlhký vzduch stoupá vzhůru, kde se kondenzuje, což vede k velkému množství latentního tepla, které se uvolní a může být přeměněno na kinetickou energii bouře.

Členění termodynamiky

Rovnovážná a nerovnovážní termodynamika

Jedním z možných členění oborů termodynamiky je pohled dle rovnováhy studovaného systému. Rovnovážná termodynamika se zabývá se studiem termodynamických systémů blízko rovnovážného stavu. Nerovnovážná termodynamika se naopak zabývá studiem termodynamických systémů v nerovnovážném stavu a lze jí dále členit na lineární a nelineární, kdy lineární nerovnovážná termodynamika se zabývá studiem systémů dostatečně blízko rovnovážného stavu, kdy je možné považovat závislost zobecněných termodynamických toků na silách ještě za lineární. Nelineární nerovnovážná termodynamika studuje stavy systému vzdálenému od rovnováhy nebo systému v silně nerovnovážném stavu.

Mikro a makrohled

Klasická termodynamika studuje systémy z makroskopického hlediska. Oproti tomu statistická termodynamika bere v potaz obrovské soubory částic, z nichž je složen typický termodynamický systém, jehož vlasnosti popisuje statistickými metodami tak, že umožňuje nalézt vztahy mezi vlastnostmi zúčastněných částic a makroskopickými projevy systému - termodynamickými funkcemi. Při známých vlastnostech molekul (např. délky vazeb, hmotnost, stavba molekuly a charakteristiky mezimolekulárních sil), lze provést výpočet všech termodynamických funkcí daného systému bez další potřeby přímých experimentálních dat.

Termochemie

Termochemie se zabývá tepelnými jevy při chemických reakcích. Ty dělí na exotermické a endotermické, při kterých se teplu uvolňuje respektive pohlcuje. Podle prvního termochemického zákona je reakční teplo dané reakce a reakční teplo téže reakce, probíhající opačným směrem, až na znaménko stejné. Druhý termochemický zákon (též označován jako Hessův) říká, že izobarické reakční teplo dané reakce je součtem isobarických tepel postupně prováděných reakcí, vycházejících ze stejných počátečních látek a končících stejnými produkty reakce.

Základní zákony termodynamiky

Termodynamika je postavena na třech (čtyřech) tzv. hlavních termodynamických větách neboli zákonech. První hlavní věta vyjadřuje zákon zachování energie, druhá hlavní věta říká, že teplo se nemůže samovolně předávat z chladnějšího tělesa teplejšímu, a třetí hlavní věta se týká chování látek v blízkosti absolutní termodynamické nuly. Přesněji:

• dle nulté věty termodynamické je teplota (intenzivní stavová proměnná) ve všech systémech s tepelně vodivými stěnami, jež jsou spolu v rovnováze, stejná ;

• první větu termodynamickou lze pojímat jako speciální formulací obecného zákona zachování energie v uzavřeném systému s možností konání práce a výměny tepla, která definuje stavovou funkci - vnitřní energii U, jenž je vlastností daného stavu uzavřeného systému závislou na fyzikálních veličinách práce a teplo;

• druhá věta termodynamická axiomaticky zavádí stavovou funkce zvaná entropie S, pro jejíž diferenciál platí dqSTδ ≥ 0, kde rovnost nastává pouze pro vratné děje, nerovnost pro děje nevratné;

• a konečně podle třetí věty termodynamické je entropie každé ideálně krystalické a dokonale čisté látky rovna nule při teplotě 0 K.

Důležité veličiny

Pro formulaci termodynamických zákonů a k popisu termodynamických jevů jsou důležité následující veličiny:

• Teplota - v obecném pojetí nebo častěji jako termodynammická teplota
• Teplo
• Práce - v obecném pojetí, nejčastěji objemová práce
• Energie - je v termodynamice klíčovým pojmem a proto se podle vnějších a vnitřních parametrů a stupňů volnosti termodynamického systému rozlišují a přesně definují různé "druhy" zvané termodynamické potenciály; nejběžnějšími jsou vnitřní energie, entalpie, Helmholtzova volná energie a Gibbsova energie (též zvaná volná entalpie)
• Entropie (zavedená termodynamicky)
• Chemický potenciál.

Vedle těchto veličin jsou potřeba i další veličiny pro popis konkrétních termodynamických systémů, je-li zájmem jejich složení (látkové množství), mechanické parametry (např. objem, tlak apod.) či jiné působící vlivy (intenzita elektrického pole, magnetická indukce, magnetizace, veličiny popisující záření apod.).

Odkazy

Literatura

• Tomáš Boublík. Statistická termodynamika. Praha : Academia, 1996. 199 s. ISBN 80-200-0566-8. (čeština) 
• Oldřich Fischer; a kolektiv. Fyzikální chemie. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1984. (čeština) 
• Bohdan Hejma. Informační termodynamika [online]. Praha : VŠCHT, 2010, [cit. 2011-08-04]. 1. Základní pojmy a principy, s. 159. Rejstřík, resumé v angl.. Dostupné online. ISBN 978-80-7080-747-7. (čeština) 
• Vladimír Malíšek. Co víte o dějinách fyziky. Praha : Horizont, 1986. (čeština) 
• František Maršík; Ivan Dvořák. Biotermodynamika. Praha : Academia, 1998. ISBN 80-200-0664-8. (čeština) 
• František Maršík. Termodynamika kontinua. Praha : Academia, 1999. ISBN 80-200-0758-X. (čeština) 
• Lubomír Sodomka; Magdalena Sodomková. Nobelovy ceny za fyziku. Praha : SET OUT, 1997. ISBN 80-902058-5-2. (čeština) 

Související články

• Klíčové pojmy: Termodynamický systém , Stav systému, Vnitřní energie, Teplo, Teplota, Termodynamická soustava, Ideální plyn
• Termodynamické děje: Termodynamický děj, Izotermický děj , Izobarický děj, Izochorický děj, Adiabatický děj, Polytropický děj, Tepelná výměna
• Zákony termodynamiky:Stavová rovnice, Daltonův zákon, Mayerova rovnice, Charlesův zákon, Boyleův-Mariottov zákon, Gay-Lussacův zákon, Poissonův zákon, Stefanův-Boltzmannův zákon, Zákon zachovaní hmotnosti, Boltzmannova rovnice, Planckův zákon
• Konstanty: Poisonova konstanta, Boltzmannova konstanta, Univerzální plynová konstanta, Avogadrova konstanta, Stefanova-Boltzmannova konstanta, Faradayova konstanta
• Šíření tepla: Šíření tepla, Vedení tepla, Tepelné záření
• Skupenské a modifikační přeměny: Skupenská přeměna, Modifikační přeměna, Tání, Tuhnutí, Var, Vypařování, Kapalnění, Kondenzace, Sublimace, Desublimace, Fázová přeměna (fázový přechod)
• Veličiny: Teplo, Práce, Teplota, Tlak, Objem, Měrné teplo, Tepelná kapacita, Tepelná roztažnost, Stlačitelnost, Vnitřní energie, Entalpie, Entropie, Helmholtzova volná energie, Gibbsova volná energie, Látkové množství, Koncentrace, Chemický potenciál, Fugacita, Aktivita, Skupenské teplo tání, Skupenské teplo tuhnutí, Skupenské teplo varu, Teplota tání, Teplota tuhnutí, Teplota varu, Součinitel tepelné vodivosti

Externí odkazy

Cizojazyčné

• (anglicky) Thermodynamics Data & Property Calculation Websites
• (anglicky) Thermodynamics Educational Websites
• (anglicky) Thermodynamics at ScienceWorld
• (anglicky) Biochemistry Thermodynamics
• (anglicky) Thermodynamics and Statistical Mechanics
• (anglicky) Engineering Thermodynamics - A Graphical Approach
• (anglicky) Thermodynamics and Statistical Mechanics