תרמודינמיקה

תֶּרְמוֹדִינָמִיקָה היא ענף בפיזיקה העוסק בחום, עבודה וטמפרטורה, ובקשר ביניהם לבין אנרגיה, אנטרופיה ותכונות פיזיקליות של חומר וקרינה. התנהגותם של גדלים אלו נשלטת על ידי ארבעת חוקי התרמודינמיקה, המתארים באופן כמותי באמצעות גדלים פיזיקליים מאקרוסקופיים מדידים, אך ניתן להסבירם במונחי מרכיבים מיקרוסקופיים באמצעות מכניקה סטטיסטית. לתרמודינמיקה יישומים נרחבים בכימיה פיזיקלית, ביוכימיה, הנדסה כימית, הנדסת מכונות, מטאורולוגיה, אקולוגיה, ובתחומים מתקדמים כמו ביופיזיקה, ננוטכנולוגיה ועיבוד מידע.

באופן היסטורי התרמודינמיקה התפתחה מתוך הרצון להגדיל את יעילותם של מנועי הקיטור המוקדמים, בעיקר בעקבות עבודתו של הפיזיקאי הצרפתי סאדי קרנו (1824), שסבר כי שיפור יעילות המנועים הוא המפתח שעשוי לסייע לצרפת לנצח במלחמות נפוליאון. במחצית המאה ה־19 ניסח לורד קלווין את ההגדרה הראשונה למונח "תרמודינמיקה", והפיזיקאי הגרמני רודולף קלאוזיוס ביסס את תורת החום, ניסח את החוק השני של התרמודינמיקה (1850) והציג את מושג האנטרופיה (1865). בהמשך, ג'יימס קלרק מקסוול ולודוויג בולצמן הניחו את הבסיס למכניקה הסטטיסטית, שאפשרה לקשר בין התנהגות מיקרוסקופית של חלקיקים לבין גדלים תרמודינמיים מאקרוסקופיים. בשנת 1909 הציג קונסטנטין קראתרודורי גישה מתמטית טהורה בניסוח אקסיומטי, תיאור המכונה לעיתים תרמודינמיקה גאומטרית.

היישום הראשוני של תרמודינמיקה במנועי חום מכניים הורחב במהרה לחקר תרכובות כימיות ותגובות כימיות. התרמודינמיקה הכימית עוסקת בתפקיד האנטרופיה בתהליכים כימיים. בהמאה ה-20 חלו התפתחויות מהותיות נוספות: הקשר בין תרמודינמיקה למכניקת הקוונטים התברר באמצעות חוק פלאנק לקרינת גוף שחור, והעניק בסיס עמוק להבנת תכונות החומר.

בשנות ה-70 פיתח איליה פריגוז'ין את התחום תרמודינמיקה לא בשיווי משקל, ובכך תרם להבנת תהליכים של מבנים דיסיפטיביים וארגון עצמי במערכות פתוחות. בהמשך החלו חוקרים ליישם את עקרונות התרמודינמיקה על מערכות חיות — כולל מטבוליזם, מערכות אקולוגיות ואף אבולוציה — תחום המכונה לעיתים תרמודינמיקה ביולוגית . גישה זו תרמה גם לחקר מערכות מורכבות והתנהגות קולקטיבית.

פריצת דרך נוספת התרחשה בשנות ה־70 עם פיתוח תרמודינמיקה של חורים שחורים  בידי יעקב בקנשטיין וסטיבן הוקינג, שהראו כי גם חורים שחורים מצייתים לחוקי התרמודינמיקה, בעלי טמפרטורה ואנטרופיה, מה שיצר גשר תאורטי בין תורת היחסות הכללית, מכניקת הקוונטים והתרמודינמיקה. בשלהי המאה ה־20 ובמאה ה־21 נפתחו תחומים חדשים כמו תרמודינמיקה חישובית , החוקרת את הקשר בין מידע לאנרגיה, ויישומים בקנה מידה ננומטרי במסגרת ננוטכנולוגיה.

החוק השני של התרמודינמיקה מהווה בסיס לדיון בחץ הזמן — כיווניות התהליכים הפיזיקליים במעבר מעבר ממצבים מסודרים למצב של אנטרופיה גבוהה יותר. מושג זה קושר בין פיזיקה, קוסמולוגיה, ביולוגיה ואף תורת המידע, שכן האנטרופיה הפיזיקלית קשורה באופן מתמטי לאי־ודאות או כמות המידע החסר במערכת, כפי שהראה קלוד שאנון.

 היסטוריה 

 התפתחות מוקדמת 
בעת העתיקה, אנשים קישרו חום לאש. בסביבות שנת 3000 לפנה"ס במצרים העתיקה, האמינו כי חום קשור לסיפורי בריאה. בפילוסופיה הודית עתיקה, ובכלל זאת בפילוסופיה הוודית, האמינו כי חמישה יסודות קלאסיים (אדמה, מים, אוויר, אש, ומאוחר יותר, אתר) הם הבסיס ליצירה בקוסמוס. בפילוסופיה המערבית היו ויכוחים רבים בין פילוסופים פרה-סוקרטיים לגבי היסודות הראשוניים, ובמאה ה-5 לפנה"ס הציע הפילוסוף היווני אמפדוקלס תיאוריה של ארבעה יסודות קלאסיים (אדמה, מים אוויר ואש). מושג האש לפי אמפידוקלס ככל הנראה היה ההשראה למושגים פלוגיסטון וקלוריק. בסביבות שנת 500 לפנה"ס, הפילוסוף היווני הרקליטוס נודע כפילוסוף של "השטף והאש" (flux and fire) בשל אמירתו - "הכול זורם". על פי הרקליטוס, שלושת היסודות הראשוניים הם מים, אדמה ואש.

אימת הריק
מקור הרעיון של אימת הריק הוא בשיר "על הטבע" של הפילוסוף היווני פרמנידס, גם הוא מהמאה ה-5 לפנה"ס. בשיר טוען פרמנידס כי ריק אינו יכול להתקיים בטבע. אריסטו הביא תימוכין נוספים לטענה זו, אך לוקיפוס והרון מאלכסנדריה ביקרו אותה. מהעת העתיקה ועד ימי הביניים נעשו ניסיונות נוספים לאשש ולהפריך את הטענה, ואף היו מספר ניסיונות ליצור ריק, ללא הצלחה.

אטומיזם פילוסופי
אטומיזם הוא רעיון מרכזי בקשר בין תרמודינמיקה לבין מכניקה סטטיסטית. פילוסופים מהעת העתיקה כגון דמוקריטוס ולוקיפוס, ומאוחר יותר האפיקוראים, פיתחו וקידמו את האסכולה האטומיסטית, ובכך הניחו את היסודות לתורה האטומית המאוחרת יותר. עד שהתקבלו הוכחות ניסיוניות לתיאוריה במאה ה-20, האסכולה התבססה בעיקרה על טיעונים פילוסופיים.

המאה ה-17

 המאות ה־18 וה־19 
תחום התרמודינמיקה התפתח באופן אמפירי עקב חקר היעילות של מנועים ומכונות חום בהם נעשה שימוש מהמאה ה־18 ועד המאה ה־20. מדע זה התבסס בעיקר על עריכת תצפיות וניסוח משוואות לגדלים מאקרוסקופיים כמו לחץ, נפח וטמפרטורה – אף על פי שלא הייתה הבנה מלאה של מושגים אלה. חוקי התרמודינמיקה נוסחו כחוקים אמפיריים, כלומר: כמסקנה המכלילה תצפיות ניסיוניות, מבלי שניתן להן צידוק או הסבר יסודי יותר.

 התורה האטומיסטית 
במאה ה־19 החלו מדענים דוגמת לודוויג בולצמן לפתח תורה קינטית של החום המסבירה את תופעות התרמודינמיקה באמצעות ההנחה שהחומר מורכב מחלקיקים קטנים, הנקראים אטומים, למשל, המודל של גז אידיאלי דליל הוא אוסף כדורים קופצניים וקטנים הנעים במהירות לכל עבר, מבלי שהם מבצעים אינטראקציה אחד עם השני. התורה האטומיסטית הוכיחה את עצמה מעל ומעבר בהסברת התופעות וחוקי התרמודינמיקה, אך עד למאמר המפורסם של איינשטיין בנוגע לתנועה בראונית עדיין היה ספק בקרב קהילת הפיזיקאים בנוגע לקיומם של אטומים.

לפי התורה האטומיסטית, התרמודינמיקה היא תורה סטטיסטית הדנה בצברים עצומים (בסדר גודל של מספר אבוגדרו  חלקיקים) והיא מתארת תכונות מקרוסקופיות של הצבר וממוצעים. באמצעות תורה זו הוסקו מספר תובנות מעניינות לגבי מושגים בתרמודינמיקה שעד אז לא הייתה הבנה מלאה שלהם:
מצב מקרוסקופי הוא מצב המאופיין רק באמצעות התכונות של כלל המערכת, שאותן ניתן למדוד, כגון אנרגיה, נפח, טמפרטורה, לחץ וכו'.
מצב מיקרוסקופי הוא מצב המאופיין במיקום ובתנע של כל חלקיק במערכת. בפועל, עבור מערכות גדולות לא ניתן למדוד מצבים כאלה או לחשב את הדינמיקה שלהם באופן אנליטי ומדויק.
מצב שיווי משקל תרמודינמי לפי תורה זו הוא המצב המקרוסקופי המסתבר ביותר של המערכת.
אנטרופיה היא מדד אדיטיבי לריבוי המצבים המיקרוסקופיים האפשריים של המערכת עבור מצב מקרוסקופי נתון.
טמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המערכת.
למרות הישגים גדולים אלו, תורה זו עדיין לא הייתה מושלמת.

 המאה ה־20 
בשנים 1904–1905 פרסם אלברט איינשטיין סדרת של מאמרים אשר הניחה את הבסיס למכניקה הסטטיסטית. במאמריו ניתח איינשטיין דווקא את הסטיות מהממוצע והראה שבאמצעותן אפשר ללמוד רבות על הפיזיקה של המערכת; השלב הבא בהתפתחותה של התרמודינמיקה שילב את מכניקת הקוונטים במכניקה הסטטיסטית. שילוב זה היה מהותי מאחר שרק באמצעות מכניקת הקוונטים אפשר לספור נכון את המצבים המיקרוסקופיים כראוי ולחשב פונקציות ריבוי נכונות.

החל ממחצית השנייה של המאה ה-20 החלה התפתחות של תרמודינמיקה סופית בזמן.

 ארבעת החוקים הבסיסיים 
בעולם התרמודינמיקה ישנם ארבעה חוקים מרכזיים:.
חוק האפס של התרמודינמיקה – חוק השקילות (טרנזיטיביות) של שיווי המשקל התרמי - אם מערכות A ו־B בשיווי משקל תרמי זו עם זו וגם מערכות B ו־C בשיווי משקל תרמי זו עם זו, אזי גם מערכות A ו־C בשיווי משקל תרמי זו עם זו.
החוק הראשון של התרמודינמיקה – הרחבה של חוק שימור האנרגיה, אנרגיה אינה נעלמת ואינה נוצרת יש מאין, כשהחוק מוסיף עוד צורה של מעבר אנרגיה אל המערכת (או ממנה), וזהו החום. הניסוח המתמטי של החוק הוא:  כאשר U היא האנרגיה הפנימית, W העבודה שנעשתה על ידי המערכת ו־Q החום שזרם אליה.
החוק השני של התרמודינמיקה – מערכת תשאף תמיד לרמת האנטרופיה (אי־הסדר) הגבוהה ביותר, וכן לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר. חוק זה בא לידי ביטוי בעיקר בתגובות כימיות. ניסוחו היותר מדויק הוא: במערכת מבודדת, בתהליך ספונטני, האנטרופיה יכולה רק לגדול.
החוק השלישי של התרמודינמיקה – בטמפרטורה של האפס המוחלט (273.15 - מעלות צלזיוס), האנטרופיה שווה לאפס או ליתר דיוק ללוגריתם של ניוון רמת היסוד.

 מונחי יסוד 
מערכת – חלק מהמרחב התחום במעטפת מוגדרת היטב.
מערכת פתוחה – מערכת שבה חומר יכול לעבור בין הסביבה למערכת.
מערכת סגורה – מערכת שבה חומר אינו יכול לעבור בין הסביבה למערכת, אך אנרגיה יכולה לעבור ביניהן.
מערכת מבודדת – מערכת שבה לא מתאפשר מעבר הן של חומר והן של אנרגיה בין הסביבה למערכת.
תכונה ראשונית – תוצאה של ניסויי שניתן לבצע על מערכת בלי ידע מוקדם עליה ומבלי צורך לשנות את המערכת. למשל: נפח, אורך, מסה, צפיפות, טמפרטורה, לחץ.
תכונה נגזרת – תכונה שאי אפשר למדוד אותה, על ידי ניסוי ישיר, מבלי לגרום שינוי במערכת.
תכונה אקסטנסיבית – תכונה התלויה בכמות החומר במערכת. למשל: נפח, מסה.
תכונה אינטנסיבית – תכונה שאינה תלויה בכמות החומר במערכת. למשל: צפיפות, נפח סגולי, אנרגיה סגולית, אנתלפיה סגולית.
מצב (תרמודינמיקה) – אוסף כל התכונות הראשוניות של המערכת.
סביבה – כל מה שנמצא מחוץ למערכת ויכול להשפיע עליה.
אינטראקציה – סוג ההשפעה של המערכת על הסביבה ולהפך.
שיווי משקל – מצב שאינו ניתן לשינוי בלי אינטראקציה עם הסביבה. במצב שיווי משקל אין שינוי בתכונות המקרוסקופיות של המערכת.

 ארבעה סוגים של שיווי משקל 
יציב – תמיד חוזר למצב שיווי משקל ההתחלתי שהיה למערכת, עבור כל הפרעה. לדוגמה – חרוט המונח על בסיסו.
רופף – שינוי קל גורם לשינוי גדול במערכת. לדוגמה – חרוט מונח על קודקודו.
אדיש – שינוי קל מוציא ממצב שיווי משקל את המערכת. לדוגמה חרוט מונח על צידו.
יציב למֶחֱצה – גודל ההפרעה לשיווי המשקל קובע את המעבר למצב שיווי המשקל החדש.

 תתי נושאים 
משוואות מצב – קשרים בין לחץ, צפיפות וטמפרטורה.
תורה קינטית של הגזים ובייחוד מודל גז אידיאלי.
תרמודינמיקה קוונטית.
תורה קינטית של החום.
חקר האנרגיה – מעברי אנרגיה, חום ועבודה, מעברי חום, נצילות ויעילות, מנועים.
מצבי צבירה ומעברי פאזה.
גזים קוונטים – גז פרמיונים מנוון, עיבוי בוז-איינשטיין.

 ראו גם 
 פיזיקה קלאסית ופיזיקה מודרנית.
 תרמודינמיקה יחסותית

קישורים חיצוניים



.
.

 – מי הסודה קוררו מעבר לנקודת הקיפאון כך שהם במצב מטה סטבילי, שמופר עם פתיחת הפקק, דבר הגורם לקיפאון מידי (צולם במרכז אילן רמון לנוער שוחר פיזיקה במהלך ליל המדענים 2010).

הערות שוליים

*
קטגוריה:תורות פיזיקליות
קטגוריה:תחומים בכימיה
קטגוריה:תחומים בפיזיקה