Termodynamika

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Titulní strana klíčové práce Sadiho Carnota o termodynamice s titulem: Réflexions sur la puissance motrice du feu, et sur les machines propres à developper cette puissance

Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá procesy a vlastnostmi látek a polí spojených s teplem a tepelnými jevy; vychází přitom z obecných principů přeměny energie, které jsou popsány čtyřmi termodynamickými zákony (z historických důvodů číslovány nultý až třetí). Termodynamika se dále dělí na studium rovnovážných a nerovnovážných procesů.[1] Historicky byl vývoj termodynamiky veden touhou zvýšit efektivitu prvních parních strojů, čímž se zabývala klíčová práce Úvahy o hybné síle ohně francouzského fyzika Sadiho Carnota, často nazývaného otcem termodynamiky. O další rozvoj termodynamiky se zasadila formulace prvního a druhého zákona termodynamiky, na nichž se podíleli především William Thomson, pozdější lord Kelvin, Rudolf Clausius a William Rankine. Samotný termín termodynamika je prvně doložen v roce 1849 v práci lorda Kelvina.

Obecný úvod[editovat | editovat zdroj]

Termodynamika zkoumá vzájemné vztahy mezi veličinami, které charakterizují makroskopický stav systému a změny těchto veličin při fyzikálních dějích, obvykle spojených 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, dále energetiku, teorii vratných dějů, teorii nevratnosti a entropie, termodynamiku fázových přeměn, či termodynamiku záření.

Příbuzným fyzikálním oborem je statistická fyzika, která objasňuje podstatu termodynamických vztahů na základě zákonitostí chování velkého množství částic studovaného metodami 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.

Rozsáhlejším příbuzným oborem je fyzikální chemie, která vedle termodynamiky obsahuje i fyzikální kinetiku studující dynamiku dějů na mikroskopické úrovni a její makroskopické důsledky (rychlosti průběhu reakcí).

Historie[editovat | editovat zdroj]

V roce 1821 se Nicolas Léonard Sadi Carnot seznámil s parním strojem v Magdeburgu, jehož fyzikální model se pokoušel v následujících letech formulovat. Své závěry publikoval v roce 1824 v díle Úvahy o hybné síle ohně (Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu).[2] Popsal v něm cyklus stroje, kde probíhá ohřívání, expanze, ochlazení a opětné stlačení ideálního plynu, dnes známý jako Carnotův cyklus. Díky tomu dílu je francouzský fyzik považován za zakladatele termodynamiky.

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.[3]

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 se dnes nazývá Joulův-Thomsonův a využívá se ke zkapalňování plynů. Teorie tohoto jevu se stala základem termodynamiky nevratných procesů. Odvodil také relace pro závislost teploty varu kapalin na tlaku par a na dalších parametrech (1870).[3]

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.[3]

O vnitřní energii a entropii látek v okolí absolutní nuly a o její nedosažitelnosti vyslovil Walther Hermann Nernst 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 Nernst jedním ze zakladatelů moderní chemické termodynamiky.[3]

Nernstovo 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.[3]

Etymologie[editovat | editovat zdroj]

Etymologie slova termodynamika má složitou historii.[4] 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.[4] Součásti slova termodynamiky je odvozeno z řeckého slova θέρμη čti [termé], což znamená teplo, a δύναμις čti [dynamis], což znamená moc i sílu.[5][6][7][8] Pierre Perrot tvrdí, že termín termodynamika byl vytvořen v roce 1858 Jamesem Joulem pro pojmenování vědy o vztazích mezi teplem a energií.[9][10] Joule ale nikdy tento termín neužil, místo toho používá termín dokonalý-termo-dynamický stroj s odkazem na Thomsonovu frazeologii z r. 1849.[4] 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“.[11]

Klíčové termodynamické pojmy a veličiny[editovat | editovat zdroj]

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

Vedle těchto veličin jsou potřeba i další veličiny pro popis konkrétních termodynamických systémů.

Základní zákony a postuláty termodynamiky[editovat | editovat zdroj]

Termodynamika je založena na šesti postulátech, které byly formulovány zobecněním pozorovaných a experimentálních faktů. Prvním je postulát o přechodu systému do rovnovážného stavu. Druhým postulátem je tvrzení, že vnitřní energie systému je extenzivní veličinou. Další čtyři postuláty se někdy z historických důvodů nazývají větami termodynamickými[12] (zkrácením z termínu "hlavní věta" = "Hauptsatz" užitého v prvním českém textu Záviškově), vhodnější je zákony nebo principy termodynamiky[13] , protože větou se má nazývat tvrzení, které lze v rámci daného oboru dokázat z výchozích zákonů (principů, axiomů).

Postuláty[editovat | editovat zdroj]

První postulát termodynamiky uvádí, že libovolný izolovaný systém po uplynutí určité doby dospěje do rovnovážného stavu, který není nikdy spontánně narušen. Druhý postulát říká, že stav systému v rovnováze je jednoznačně určen souborem všech vnějších parametrů a jediným parametrem vnitřním.

Zákony neboli principy[editovat | editovat zdroj]

První zákon vyjadřuje zákon zachování energie, druhý zákon říká, že teplo se nemůže samovolně předávat z chladnějšího tělesa teplejšímu, a třetí zákon se týká chování látek v blízkosti absolutní termodynamické nuly.

Nultý zákon termodynamický[editovat | editovat zdroj]

Dle nultého zákona termodynamického je teplota (intenzivní stavová proměnná) ve všech systémech s tepelně vodivými stěnami, jež jsou spolu v rovnováze, stejná;[14]

První zákon termodynamický[editovat | editovat zdroj]

První zákon termodynamický lze pojímat jako speciální formulaci 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;[14]

Druhý zákon termodynamický[editovat | editovat zdroj]

Druhý zákon termodynamický axiomaticky zavádí stavovou funkci S zvanou entropie, pro jejíž diferenciál platí dSQ/T ≥ 0, kde rovnost nastává pouze pro vratné děje, nerovnost pro děje nevratné;[14]

Třetí zákon termodynamický[editovat | editovat zdroj]

A konečně podle třetího zákona termodynamického je entropie každé ideálně krystalické a dokonale čisté látky rovna nule při teplotě 0 K.[14]

Členění termodynamiky[editovat | editovat zdroj]

Rovnovážná a nerovnovážná termodynamika[editovat | editovat zdroj]

Jedním z možných členění oborů termodynamiky je pohled dle rovnováhy studovaného systému. Rovnovážná termodynamika se zabývá 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 zobecněných silách ještě za lineární. Nelineární nerovnovážná termodynamika studuje stavy systému vzdáleného od termodynamické rovnováhy.

Volba měřítka[editovat | editovat zdroj]

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 vlastnosti 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.[15]

Aplikace termodynamiky[editovat | editovat zdroj]

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 paralelní 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, prakticky využitelný 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).[3] V téže době vznikly i spalovací motory zážehové (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.[3] Konečně nelze pominout ani využití termodynamických 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, buněčná signalizace, buněčné dýchání či fotosyntéza.
  • 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 a tropických cyklón. 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.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Miroslava Vrbová; a kolektiv. Oborová encyklopedie Lasery a moderní optika. Praha : Prometheus, 1997. ISBN 80-85849-56-9.  
  2. Jan Kapoun. Sadi Carnot: Úvahy o hnací síle ohně (1824). [[1]] [online]. 30-11-2004 [cit. 02-08-2011]. Dostupné online.  
  3. a b c d e f g Vladimír Malíšek. Co víte o dějinách fyziky. Praha : Horizont, 1986. S. 141-144.  
  4. a b c Thermodynamics (etymology) [online]. EoHT.info. Dostupné online. (anglicky) 
  5. F. Lepař. Nehomérovský slovník řecko-český. Praha : Rezek, 2008. S. 310. (česky) 
  6. Oxford English Dictionary, Oxford University Press, Oxford UK
  7. Liddell, H.G., Scott, R. (1843/1940/1978). A Greek-English Lexicon, revised and augmented by Jones, Sir H.S., with a supplement 1968, reprinted 1978, Oxford University Press, Oxford UK, ISBN 0-19-864214-8, pages 794, 452.
  8. Donald T. Haynie. Biological Thermodynamics. 2. vyd. [s.l.] : Cambridge University Press, 2008. S. 26. (anglicky) 
  9. Pierre Perrot. A to Z of Thermodynamics. 2. vyd. [s.l.] : Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-856552-6. (anglicky) 
  10. John O. E. Clark. The Essential Dictionary of Science. 2. vyd. [s.l.] : Barnes & Noble Books, 2004. ISBN 0-7607-4616-8. (anglicky) 
  11. Kelvin, William T. (1849) „An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat – with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam.“ Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2.Scanned Copy
  12. Anatol Malijevský; Josef P. Novák; Stanislav Labík, Ivona Malijevská Breviář fyzikální chemie [pdf]. Praha: Ústavu fyzikální chemie VŠCHT, 24-01-2001, [cit. 2012-08-02]. Kapitola Kapitola 3, Základy termodynamiky, s. 66. Dostupné online. (český) 
  13. Jan Obdržálek; Alois Vaněk. Termodynamika a molekulová fyzika. opr. a rozš., 2. vyd. Ústí nad Labem : Univerzita Jana Evangelisty Purkyně, Pedagogická fakulta, 2000. ISBN 80-7044-283-2. S. 226.  
  14. a b c d Jindřich Leitner; Petr Voňka. Termodynamika materiálů [online]. Praha: VŠCHT, Fakulta chemické technologie, [cit. 2011-08-04]. 1. Základní pojmy a principy, s. 16. Dostupné online.  
  15. Tomáš Boubelík. Statistická termodynamika. Praha : Academia, 1996. 199 s. ISBN 80-200-0566-8. Kapitola úvod, s. 15.  

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • Tomáš Boublík. Chemická termodynamika: stavy hmoty, termodynamika a statistická termodynamika. Praha : Karolinum, 2006. 189 s. ISBN 80-246-1256-9.  
  • Tomáš Boublík. Statistická termodynamika. Praha : Academia, 1996. 199 s. ISBN 80-200-0566-8.  
  • Milan Dufek. Termodynamika látkových soustav. Praha : ČVUT, Strojní fakulta, 1999. 201 s. ISBN 80-01-01953-5.  
  • Oldřich Fischer; a kolektiv. Fyzikální chemie. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1984.  
  • 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.  
  • Radko Hejzlar. Termodynamika. Praha : České vysoké učení technické, 2010. 166 s. ISBN 978-80-01-04540-4.  
  • Vladimír Malíšek. Co víte o dějinách fyziky. Praha : Horizont, 1986.  
  • Olga Kapičková; František Vodák. Fyzika 20: termodynamika. přepracované, 2. vyd. Praha : ČVUT, 1998. 110 s. ISBN 80-01-01728-1.  
  • Jozef Kvasnica. Termodynamika. 1. vyd. Praha : SNTL, 1965. 394 s.  
Zdánlivě stará ale nikoli zastaralá publikace teoretické termodynamiky se systematickým výkladem a širokým záběrem, asi neexistuje podobně systematická česká monografie o termodynamice; nevýhodou může být pro někoho zastaralý systém jednotek
  • Jindřich Leitner; Petr Voňka. Termodynamika materiálů: příklady. 1. vyd. Praha : Vydavatelství VŠCHT, 1997. 211 s. ISBN 80-7080-283-9.  
  • Zlatěk Maršák. Termodynamika a statistická fyzika. 3. vyd. Praha : ČVUT, 1995. 107 s. ISBN 80-01-01401-0.  
  • František Maršík; Ivan Dvořák. Biotermodynamika. Praha : Academia, 1998. ISBN 80-200-0664-8.  
  • František Maršík. Termodynamika kontinua. Praha : Academia, 1999. 323 s. ISBN 80-200-0758-X.  
  • Walter John Moore. Fyzikální chemie. 2. vyd. Praha : SNTL, 1981. 974 s.  
Velmi solidně zpracované termodynamické kapitoly, na úrovni úvodního VŠ kursu, navíc obsaženo mnoho okrajových aplikací termodynamiky v chemii, pevných látkách apod.
  • Jiří Nožička. Matematické základy fenomenologické termodynamiky. 1. vyd. Praha : Vydavatelství ČVUT, 2002. 66 s. ISBN 80-01-02583-7.  
  • Miroslav Rousek; Ivan Klepárník; Jan Filípek. Termodynamika a energetické stroje - cvičení. 1. vyd. Brno : Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2001. 59 s. ISBN 80-7157-500-3.  
  • Lubomír Sodomka; Magdalena Sodomková. Nobelovy ceny za fyziku. Praha : SET OUT, 1997. ISBN 80-902058-5-2.  
  • Emanuel Svoboda; Roman Bakule. Molekulová fyzika. 1. vyd. Praha : Academia, 1992. 275 s. ISBN 80-200-0025-9.  
Kvalitní úvodní vysokoškolský kurs ve stručnějším zpracování, směšuje obecnou termodynamiku s kinetickou teorií – dobré pro názorné pochopení, horší pro ilustraci obecné termodynamiky.
  • Karel Vacek. Termodynamika. Ústí nad Labem : Univerzita J. E. Purkyně, 2003. 62 s. ISBN 80-7044-526-2.  

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Cizojazyčné
Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu
Česky