Θερμοδυναμική

Η Θερμοδυναμική είναι η μελέτη της μετατροπής της ενέργειας από μηχανική ενέργεια -έργο- σε θερμότητα και αντίστροφα, μέσα από τη μελέτη των θερμικών διεργασιών. Με τον όρο διεργασία εννοούμε την μετάβαση από τη μια κατάσταση ενός συστήματος σε μια άλλη. Η Θερμοδυναμική ασχολείται μόνο με την μακροσκοπική απόκριση των συστημάτων που την αποτελούν, την οποία και μπορούμε να υπολογίσουμε πειραματικά. Η Θερμοδυναμική σήμερα αποτελεί έναν πολύ βασικό κλάδο της Φυσικής, με πολλές εφαρμογές σε άλλες επιστήμες, και διδάσκεται ως προπτυχιακό μάθημα σε επιστήμονες και μηχανικούς σε όλο τον κόσμο.
Η λέξη «Θερμοδυναμική» έχει το εξής νόημα: 
Θερμοδυναμική = «θερμο» + «δυναμική», δηλαδή ο τομέας της Φυσικής που ασχολείται με την δυναμική (μεταφορά και μετατροπή σε άλλη μορφή ενέργειας) της θερμότητας
Θερμότητα: μορφή της ενέργειας που μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ τους (μάλιστα η κατεύθυνση της αυθόρμητης μεταφοράς της θερμότητας είναι από το θερμότερο προς το ψυχρότερο αντικείμενο)

Εισαγωγή

Η επιστήμη της Θερμοδυναμικής έχει τη βάση της σε τρεις θεμελιώδεις νόμους. Μέσα από τους νόμους εισάγονται δύο κεντρικές της έννοιες, η ενέργεια και η εντροπία. Κεντρικές στη μελέτη της Θερμοδυναμικής είναι οι έννοιες του συστήματος και του περιβάλλοντος. Αν και η συστηματική μελέτη της Θερμοδυναμικής ξεκίνησε από την κατασκευή των πρώτων κινητήρων στα τέλη του 17ου αιώνα, σήμερα έχει αποκτήσει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε άλλες επιστήμες πλην της μηχανικής και των εφαρμογών της όπως η χημεία, η βιολογία και η επιστήμη υλικών

Ιστορία και εξέλιξη

Η ιδέα για τη χρήση της θερμότητας για τη μετάδοση κίνησης υπάρχει από την αρχαιότητα, εντούτοις οι θερμικές μηχανές εκείνης της περιόδου δεν είχαν πρακτική χρήση. Η πρώτη θερμική μηχανή είναι ο αιολικός κινητήρας του Ήρωνα. Ο Ήρωνας περιγράφει και ένα σύστημα που έκλεινε τις πόρτες ενός ναού με χρήση της θερμότητας από τη φωτιά που άναβε το βωμό του ναού. Το μοντέρνο ενδιαφέρον για τη Θερμοδυναμική σαν επιστήμη ξεκινά με την κατασκευή του πρώτου κινητήρα ατμού από τον Τόμας Σέιβερι (Thomas Savery) το 1697 και τον Τόμας Νιουκόμεν (Thomas Newcomen) στην Αγγλία το 1712. Έκτοτε, η ιστορία της Θερμοδυναμικής είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την εικόνα που είχε ο άνθρωπος για τη θερμότητα. Αρχικά υπήρχε η αντίληψη ότι η θερμότητα ήταν ένα είδος ρευστού, και η θέρμανση ενός σώματος δεν ήταν παρά η μεταφορά αυτού του ρευστού από το ένα σώμα στο άλλο. Εντούτοις, αυτή η αντίληψη δεν απέτρεψε τον Σαντί Καρνό (Sadi Carnot), τον "πατέρα της Θερμοδυναμικής" να αντιληφθεί τους φυσικούς περιορισμούς της μετατροπής αυτού του "θερμικού ρευστού" σε έργο, και να διατυπώσει, μόλις το 1824, αυτό που σήμερα αποκαλούμε δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής. Θα έπρεπε να περάσουν άλλα 18 χρόνια μέχρι να ανακαλύψει ο R. J. Mayer την ισοδυναμία έργου και θερμότητας, και να διατυπώσει την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Ο όρος Θερμοδυναμική χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1849 από τον λόρδο Κέλβιν, ενώ το πρώτο σύγγραμμα πάνω στο αντικείμενο γράφτηκε το 1859 από τον καθηγητή Ουίλιαμ Ράνκιν (William Rankine).

Νόμοι της Θερμοδυναμικής

Ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής είναι μια διατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας, και ορίζει την ενέργεια σαν μια ακόμα θερμοδυναμική ιδιότητα. Δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί, ούτε να καταστραφεί, μπορεί μόνο να μετατραπεί από τη μια μορφή στην άλλη.
Για το δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής υπάρχουν διάφορες διατυπώσεις. Μια από τις πρώτες προήλθε από τον Ρούντολφ Κλαούζιους, ο οποίος είπε ότι είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια συσκευή η οποία να λειτουργεί σε κύκλο και να έχει ως μοναδικό αποτέλεσμα την αφαίρεση θερμότητας από ένα σώμα σε μια θερμοκρασία και την απορρόφηση ίσης ποσότητας θερμότητας από ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας, δηλαδή υπαγορεύει το αδύνατο κατασκευής ενός αεικίνητου.
Ο τρίτος νόμος της Θερμοδυναμικής ορίζει ότι η εντροπία ενός συστήματος σε απόλυτη θερμοκρασία (Τ = 0 Κ) είναι μηδέν (δηλαδή S = 0). Η φυσική ερμηνεία αυτού του νόμου, υποδεικνύει ότι είναι αδύνατον η θερμοκρασία ενός συστήματος να φτάσει μέσω μιας διεργασίας στο απόλυτο μηδέν της κλίμακας Κέλβιν σε πεπερασμένο αριθμό βημάτων.