Termodynamiikka

Termodynamiikka eli lämpöoppi on fysiikan ala, joka tutkii energian muuttumista energialajista toiseen, ja erityisesti lämmön ja työn välistä yhteyttä. Termodynamiikka tutkii sitä kuinka systeemin makroskooppiset ominaisuudet, esimerkiksi lämpötila, tilavuus ja paine, muuttuvat termodynaamisissa prosesseissa. Termodynamiikan peruslainalaisuudet kuvataan perinteisesti "neljän pääsäännön" avulla, jotka kuvaavat energian ominaisuuksia ja siten kuinka eri energiamuodot vaikuttavat keskenään. 
Termodynamiikka tieteenä syntyi 1700- ja 1800-lukujen aikana. Yksi varhaisimmista termodynamiikan kehittäjistä oli Sadi Carnot, joka pyrki parantamaan varhaisten höyrykoneiden tehokkuutta. Termodynamiikan ensimmäinen ja toinen pääsääntö saivat nykyisen sisältönsä Lordi Kelvinin, Rudolf Clausiuksen ja William Rankinen töissä. Nimeä "termodynamiikka" käytti ensimmäisenä Lordi Kelvin vuonna 1849.
Termodynamiikka on laaja tieteenala, joka jakautuu useisiin haaroihin. Eri haarat jakavat samat perusteoreemat ja -käsitteet, mutta ne eroavat toisistaan lähestymistavoissaan ja sovellusalueissaan. Usein erotellaan kaksi lähestymistapaa: "klassinen termodynamiikka" tarkastelee aineen makroskooppisia ominaisuuksia ja niistä mittaamalla saatavaa tietoa, kun taas "tilastollinen termodynamiikka" lähtee liikkeelle aineen mikroskooppisten rakenneosasten, atomien ja molekyylien, kvanttimekaanisista ominaisuuksista, ja pyrkii selittämään aineen makroskooppiset ominaisuudet niiden pohjalta. Termodynamiikkaa sovelletaan lähes kaikilla fysiikan, kemian ja tekniikan aloilla. Sillä on keskeinen rooli esimerkiksi lämpökemiassa, energiatekniikassa, meteorologiassa ja tiiviin aineen fysiikassa.
Historia.
Termodynamiikka sai alkunsa 1800-luvun alussa. Se liittyi höyrykoneen kehittämiseen. Alussa termodynaaminen tutkimus keskittyi kokeellisiin mittauksiin eikä ottanut kantaa aineen rakenneosiin. Sir Benjamin Thompson tulkitsi jo 1700-luvun lopussa lämmön aineen liikkeeseen perustuvaksi, mutta hänen ajatuksensa otettiin energian käsitteen avulla käyttöön termodynamiikan tutkimuksessa vasta 1800-luvun alussa. William Thomson, tutummin lordi Kelvin, kehitti termodynamiikan teoriasta yhtenäisemmän. Tätä termodynamiikka on nimetty myös klassiseksi termodynamiikaksi, koska se perustuu kemialliseen makroskooppiseen reaktioon tai muutokseen puuttumatta näihin tapahtumiin liittyvien yhdisteiden molekulaarisiin ominaisuuksiin. Tilastollinen fysiikka tuo lisäselvyyttä reaktioiden ja muutosten tarkastelussa mikroskooppisella tasolla.
Peruskäsitteitä.
Termodynamiikan pääkäsite on "systeemi". Systeemi on osa, jonka todellinen tai kuviteltu raja erottaa ympäristöstä. Systeemit luokitellaan "avoimiksi", "suljetuiksi" ja "eristetyiksi" sen mukaan, kulkeeko aine ja energia systeemin ja ympäristön välillä vai ei.
Systeemi on avoin, milloin sekä aine että energia voivat kulkea systeemin ja ympäristön välillä.
Systeemi on suljettu, milloin vain energia voi kulkea systeemin ja ympäristön välillä.
Systeemi on eristetty, milloin energia ja aine eivät voi kulkea systeemin ja ympäristön välillä.
Systeemin "Tila" on systeemin termodynaamisten muuttujien tila.
Systeemin "tilamuuttujat" ovat:
Mikäli yksi tilanmuuttuja muuttuu, niin vähintään yhden toisenkin tilanmuuttujan arvo muuttuu.
Systeemin tila muuttuu, kun tapahtuu jokin termodynaaminen prosessi.
Termodynamiikan pääsäännöt.
Nollas pääsääntö: tasapaino.
Säännön poikkeuksellinen nimeäminen johtuu siitä, että sääntö otettiin käyttöön vasta 1900-luvulla, jolloin ensimmäinen ja toinen pääsääntö oli jo otettu käyttöön. Aiempien sääntöjen nimeämistä ei haluttu muuttaa, joten se nimettiin nollanneksi, sillä sitä pidettiin niin perustavanlaatuisena, ettei sitä sopinut asettaa jo olemassa olleiden sääntöjen perään.
Ensimmäinen pääsääntö: energian säilyminen.
dU = δQ + δW,&lt;br&gt;
jossa "U" on systeemin sisäenergia, "Q" on systeemiin tuotu lämpömäärä ja "W" on systeemiin tehty työ. Tämä on nykyinen IUPAC:in mukainen merkintätapa.
Ensimmäinen pääsääntö koskien suljettua systeemiä on sama kuin energiaperiaate. Tietty määrä mekaanista työtä vastaa tiettyä määrää lämpöä, minkä osoittaa lämmön mekaaninen ekvivalentti.
Tämän vuoksi ikiliikkuja on mahdoton, koska esimerkiksi kitkan voittamiseksi systeemissä olisi synnyttävä koko ajan lisää energiaa.
Toinen pääsääntö.
Toinen pääsääntö rajoittaa energian muuttamista työksi, osoittaa muutoksen suunnan ja toteaa entropian kasvun väistämättömyyden.
Clausiuksen teoreema ilmaisee termodynaamisen järjestelmän vapaaehtoisen ('spontaanin') muutoksen suunnan ja eristetyn järjestelmän tasapainotilan:
"Lämpö ei voi koskaan siirtyä kylmemmästä lämpimämpään ilman, että samanaikaisesti tapahtuu jotain muuta siihen liittyvää muutosta." (, 1856).
Lordi Kelvinin muotoilu:
Ei ole mahdollista ottaa lämpöenergiaa kuumasta ja tehdä sillä työtä, ellei käytettävissä ole kylmempää kohdetta; lämpötilaero on välttämättömyys lämpöenergian hyödyntämiseksi. ()
Mikään ei estä järjestystä kasvamasta - entropiaa pienenemästä - hetkellisesti, mutta koska epäjärjestyneiden tilojen todennäköisyys on valtavasti suurempi kuin järjestyneiden (hiukkaset voivat järjestyä "epäjärjestykseen" monilla tavoin, "järjestykseen" vain yhdellä tavoin), etenee kehitys todennäköisyyslaskennan lakien mukaan suuressa mittakaavassa, ts. suurella määrällä tapahtumia aina kohti todennäköisintä, epäjärjestyneintä lopputilaa.
Kolmas pääsääntö: entropian nollapiste.
Tämän vuoksi absoluuttista nollapistettä ei voi saavuttaa.
Käsitteitä.
Intensiivi- ja ekstensiivisuureet.
Monet termodynaamiset suureet voidaan luokitella joko intensiivi- tai ekstensiivisuureiksi sen mukaan miten ne skaalautuvat suhteessa systeemin kokoon: