Termodynamiikka

Wikipedia
Ohjattu sivulta Termodynamiikan pääsäännöt
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Termodynamiikka (lämpöoppi) on energian, lämmön, työn, entropian ja tapahtumien spontaanisuuden fysiikkaa. Termodynamiikka on läheisesti yhteydessä tilastolliseen fysiikkaan, josta monet sen lainalaisuudet voidaan johtaa.

Termodynamiikan historiaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Klassinen 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.

Termodynamiikan peruskäsitteitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Termodynamiikan pääkäsite on systeemi. Systeemi on osa, jonka todellinen tai kuviteltu raja erottaa ympäristöstä. Systeemit luokitellaan avoimiksi, suljetuiksi ja eristetyiksi sen mukaan, kulkevatko aine ja energia niiden rajapinnan läpi ympäristöön.

Tila on systeemin termodynaamisten muuttujien joukko.

Systeemin tila muuttuu kun tapahtuu jokin termodynaaminen prosessi.

Termodynamiikan pääsäännöt[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Termodynamiikan nollas pääsääntö: tasapaino[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Jos systeemit A ja C sekä B ja C ovat keskenään termodynaamisessa tasapainossa, niin silloin myös A ja B ovat tasapainossa.
  • tai eristetyssä systeemissä eri lämpöiset kappaleet aikaa myöten asettuvat lopulta samaan lämpötilaan.

Tähän perustuu muun muassa lämpömittarien toiminta. Säännön poikkeuksellinen nimeäminen johtuu siitä, että sääntö otettiin käyttöön vasta 1900-luvulla, jolloin ensimmäinen ja toinen pääsääntö oli otettu käyttöön. Aiempien sääntöjen nimeämistä ei haluttu muuttaa, joten se nimettiin nollanneksi. Sääntö on myös niin perustavanlaatuinen, ettei sitä sopinut nimetä jo olemassa olleiden sääntöjen perilliseksi.

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: energian säilyminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

dU = δQ + δW,
jossa U on systeemin sisäenergia, Q on systeemiin tuotu lämpö ja W on systeemin tekemä työ.

  • Energiaa ei voida luoda eikä hävittää. Ainoastaan muuttaa muodosta toiseen.
  • tai adiabaattisessa prosessissa tehty työ riippuu vain alku- ja lopputilasta, eikä prosessin kulusta
  • tai systeemiin tuotu lämpö muuttuu systeemin sisäenergiaksi, miinus systeemin tekemä työ.

Tämän vuoksi on ikiliikkuja mahdoton, koska esimerkiksi kitkan voittamiseksi systeemissä olisi synnyttävä kokoajan lisää energiaa.

Termodynamiikan toinen pääsääntö: entropian kasvu[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • eristetyn systeemin prosessi etenee kohti suurinta todennäköisyyttä eli suuntaan jossa entropia kasvaa ja vapaa energia vähenee.
  • tai eristetyn systeemin kokonaisentropia kasvaa
  • tai lämpöä ei voi muuttaa täydellisesti työksi
  • tai kaikki ajautuu järjestyksestä kaaokseen

Mikään ei estä järjestystä kasvamasta 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.

Termodynamiikan kolmas pääsääntö: entropian nollapiste[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämän vuoksi absoluuttista nollapistettä ei voi saavuttaa.

Termodynaamisia käsitteitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lämpöopin suureita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ekstensiivi- ja intensiivisuureet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Termodynamiikassa käytettävät suureet jaetaan ekstensiivisiin ja intensiivisiin suureisiin.

  • Ekstensiiviset suureet ovat verrannollisia systeemin ainemäärään. Sellaisia ovat esimerkiksi tilavuus, sisäenergia ja lämpökapasiteetti.
  • Intensiiviset suureet ovat ainemäärästä riippumattomia. Sellaisia ovat esimerkiksi lämpötila, paine, aineen tiheys ja sen käänteisarvo ominaisuustilavuus, samoin moolitilavuus, ominaissisäenergia tai molaarinen sisäenergia, ominaislämpö tai molaarinen ominaislämpö. Intensiivisuureet saadaan ekstensiivisuureista jakamalla se massalla tai ainemäärällä; esimerkiksi aineen ominaislämpö on kappaleen lämpökapasiteetti jaettuna sen massalla.

Kirjallisuutta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Karttunen, Hannu: Fysiikka. Tiedettä kaikille. Ursan julkaisuja 89. Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1.