Pendant longtemps, les physiciens et les représentants d'autres sciences avaient une façon de décrire ce qu'ils observaient au cours de leurs expériences. L'absence de consensus et la présence d'un grand nombre de termes pris « à l'improviste » ont entraîné confusion et incompréhension entre collègues. Au fil du temps, chaque branche de la physique a acquis ses définitions et ses unités de mesure établies. C'est ainsi que sont apparus les paramètres thermodynamiques, expliquant la plupart des changements macroscopiques du système.
Définition
Les paramètres d'état, ou paramètres thermodynamiques, sont un certain nombre de grandeurs physiques qui, ensemble et chacune séparément, peuvent caractériser le système observé. Ceux-ci incluent des concepts tels que:
- température et pression;
- concentration, induction magnétique;
- entropie;
- enthalpie;
- Les énergies de Gibbs et Helmholtz et bien d'autres.
Sélectionnez les paramètres intensifs et extensifs. Extensifs sont ceux qui dépendent directement de la masse du système thermodynamique, etintensif - qui sont déterminés par d'autres critères. Tous les paramètres ne sont pas également indépendants, par conséquent, afin de calculer l'état d'équilibre du système, il est nécessaire de déterminer plusieurs paramètres à la fois.
De plus, il existe des désaccords terminologiques entre physiciens. Une même caractéristique physique peut être appelée par différents auteurs soit un processus, soit une coordonnée, soit une grandeur, soit un paramètre, soit même simplement une propriété. Tout dépend du contenu dans lequel le scientifique l'utilise. Mais dans certains cas, il existe des recommandations standardisées auxquelles les rédacteurs de documents, de manuels ou d'ordonnances doivent se conformer.
Classification
Il existe plusieurs classifications des paramètres thermodynamiques. Ainsi, sur la base du premier paragraphe, on sait déjà que toutes les quantités peuvent être divisées en:
- extensif (additif) - ces substances obéissent à la loi de l'addition, c'est-à-dire que leur valeur dépend du nombre d'ingrédients;
- intense - ils ne dépendent pas de la quantité de substance prise pour la réaction, puisqu'ils sont alignés pendant l'interaction.
En fonction des conditions dans lesquelles se trouvent les substances qui composent le système, les quantités peuvent être divisées en celles qui décrivent les réactions de phase et les réactions chimiques. De plus, les propriétés des réactifs doivent être prises en compte. Ils peuvent être:
- thermomécanique;
- thermophysique;
- thermochimique.
En plus de cela, tout système thermodynamique remplit une certaine fonction, de sorte que les paramètres peuventcaractériser le travail ou la chaleur produite à la suite de la réaction, et vous permettre également de calculer l'énergie nécessaire pour transférer la masse des particules.
Variables d'état
L'état de tout système, y compris thermodynamique, peut être déterminé par une combinaison de ses propriétés ou caractéristiques. Toutes les variables qui ne sont complètement déterminées qu'à un moment donné et qui ne dépendent pas de la façon exacte dont le système est arrivé à cet état sont appelées paramètres d'état thermodynamiques (variables) ou fonctions d'état.
Le système est considéré comme stationnaire si les fonctions des variables ne changent pas dans le temps. Une version de l'état stationnaire est l'équilibre thermodynamique. Tout changement, même le plus petit dans le système, est déjà un processus, et il peut contenir d'un à plusieurs paramètres d'état thermodynamique variables. La séquence dans laquelle les états du système passent continuellement l'un dans l'autre est appelée "chemin de processus".
Malheureusement, il y a encore confusion dans les termes, car une même variable peut être à la fois indépendante et résulter de l'ajout de plusieurs fonctions système. Par conséquent, des termes tels que "fonction d'état", "paramètre d'état", "variable d'état" peuvent être considérés comme des synonymes.
Température
L'un des paramètres indépendants de l'état d'un système thermodynamique est la température. C'est une valeur qui caractérise la quantité d'énergie cinétique par unité de particules danssystème thermodynamique en équilibre.
Si nous abordons la définition du concept du point de vue de la thermodynamique, alors la température est une valeur inversement proportionnelle au changement d'entropie après l'ajout de chaleur (énergie) au système. Lorsque le système est en équilibre, la valeur de la température est la même pour tous ses "participants". S'il y a une différence de température, l'énergie est émise par un corps plus chaud et absorbée par un corps plus froid.
Il existe des systèmes thermodynamiques dans lesquels, lorsque de l'énergie est ajoutée, le désordre (entropie) n'augmente pas, mais diminue plutôt. De plus, si un tel système interagit avec un corps dont la température est supérieure à la sienne, alors il cédera son énergie cinétique à ce corps, et non l'inverse (selon les lois de la thermodynamique).
Pression
La pression est une grandeur qui caractérise la force agissant sur un corps, perpendiculairement à sa surface. Pour calculer ce paramètre, il est nécessaire de diviser la quantité totale de force par la surface de l'objet. Les unités de cette force seront les pascals.
Dans le cas des paramètres thermodynamiques, le gaz occupe tout le volume dont il dispose et, de plus, les molécules qui le composent se déplacent constamment de manière aléatoire et entrent en collision les unes avec les autres et avec le récipient dans lequel elles se trouvent. Ce sont ces impacts qui déterminent la pression de la substance sur les parois du récipient ou sur le corps qui est placé dans le gaz. La force se propage également dans toutes les directions précisément à cause de l'imprévisibilitémouvements moléculaires. Pour augmenter la pression, vous devez augmenter la température du système, et vice versa.
Énergie interne
Les principaux paramètres thermodynamiques qui dépendent de la masse du système incluent l'énergie interne. Il se compose de l'énergie cinétique due au mouvement des molécules d'une substance, ainsi que de l'énergie potentielle qui apparaît lorsque les molécules interagissent entre elles.
Ce paramètre est sans ambiguïté. Autrement dit, la valeur de l'énergie interne est constante chaque fois que le système est dans l'état souhaité, quelle que soit la manière dont il (l'état) a été atteint.
Il est impossible de changer l'énergie interne. C'est la somme de la chaleur dégagée par le système et du travail qu'il produit. Pour certains processus, d'autres paramètres sont pris en compte, tels que la température, l'entropie, la pression, le potentiel et le nombre de molécules.
Entropie
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie d'un système isolé ne diminue pas. Une autre formulation postule que l'énergie ne passe jamais d'un corps avec une température plus basse à un plus chaud. Ceci, à son tour, nie la possibilité de créer une machine à mouvement perpétuel, car il est impossible de transférer toute l'énergie disponible au corps dans le travail.
Le concept même d'"entropie" a été introduit au milieu du 19ème siècle. Ensuite, cela a été perçu comme un changement de la quantité de chaleur par rapport à la température du système. Mais cette définition ne s'applique qu'auxprocessus constamment en équilibre. On peut en tirer la conclusion suivante: si la température des corps qui composent le système tend vers zéro, alors l'entropie sera également égale à zéro.
L'entropie en tant que paramètre thermodynamique de l'état du gaz est utilisée comme une indication de la mesure du caractère aléatoire, du caractère aléatoire du mouvement des particules. Il est utilisé pour déterminer la distribution des molécules dans une certaine zone et un certain vaisseau, ou pour calculer la force électromagnétique d'interaction entre les ions d'une substance.
Enthalpie
L'enthalpie est l'énergie qui peut être convertie en chaleur (ou en travail) à pression constante. C'est le potentiel d'un système qui est en équilibre si le chercheur connaît le niveau d'entropie, le nombre de molécules et la pression.
Si le paramètre thermodynamique d'un gaz parfait est indiqué, au lieu de l'enthalpie, l'expression "énergie du système étendu" est utilisée. Afin de nous faciliter l'explication de cette valeur, nous pouvons imaginer un récipient rempli de gaz, qui est uniformément comprimé par un piston (par exemple, un moteur à combustion interne). Dans ce cas, l'enthalpie sera égale non seulement à l'énergie interne de la substance, mais également au travail qui doit être effectué pour amener le système dans l'état requis. La modification de ce paramètre dépend uniquement de l'état initial et final du système, et la manière dont il sera reçu n'a pas d'importance.
Gibbs Energy
Les paramètres et les processus thermodynamiques, pour la plupart, sont associés au potentiel énergétique des substances qui composent le système. Ainsi, l'énergie de Gibbs est l'équivalent de l'énergie chimique totale du système. Il montre quels changements se produiront au cours des réactions chimiques et si les substances vont interagir.
La modification de la quantité d'énergie et de la température du système au cours de la réaction affecte des concepts tels que l'enthalpie et l'entropie. La différence entre ces deux paramètres sera appelée énergie de Gibbs ou potentiel isobare-isotherme.
La valeur minimale de cette énergie est observée si le système est en équilibre et que sa pression, sa température et sa quantité de matière restent inchangées.
Helmholtz Energy
L'énergie de Helmholtz (selon d'autres sources - juste l'énergie libre) est la quantité potentielle d'énergie qui sera perdue par le système lors de l'interaction avec des corps qui n'en font pas partie.
Le concept d'énergie libre de Helmholtz est souvent utilisé pour déterminer le travail maximal qu'un système peut effectuer, c'est-à-dire la quantité de chaleur dégagée lorsque les substances passent d'un état à un autre.
Si le système est dans un état d'équilibre thermodynamique (c'est-à-dire qu'il ne fait aucun travail), alors le niveau d'énergie libre est au minimum. Cela signifie que la modification d'autres paramètres, tels que la température,pression, le nombre de particules ne se produit pas non plus.
