Termodinamika

Sistema termodinamiko tipikoa

Termodinamika (grezieraz τερμον "beroa" eta δυναμις "dinamika") beroa eta lana, eta sistema makroskopikoetan hauek duten eragina aztertzen dituen fisikaren arloa da, sistema osatzen duten partikulen mugimenduak estatistikoki analizatuz.

Sistema termodinamikoak

Sistema, aztertu nahi den unibertsoaren zatia bezala definitzen da. Objektu bakar bat bezain sinplea izan daiteke, edo instalazio petrokimiko oso bat bezain konplexua. Barruan duen materiaren osaketa aldaezina izan daiteke, edo aldakorra erreakzio kimiko eta nuklearrengatik. Itxura, bolumena eta posizioa ere ez dute zertan berdinak izan denbora igaro ahala. Sistemarena ez den gauza orori ingurua deitzen zaio, eta inguruak eta sistemak osatzen duten multzoari unibertsoa. Sistema eta ingurua bereizten dituen gainazalari muga deritzo, bai benetakoa ala itxurazkoa izan. Muga honen bitartez sistemak inguruarekin elkarreragiten du. Sistemak hainbat erakoak izan daitezke:

• Sistema itxiak: materiak ezin dezake muga zeharkatu.
• Sistema irekiak: materiak muga iragan dezake.
• Sistema isolatuak: inguruarekin elkarreraginik ez dutenak. Ez energiak ezta materiak ezin dezakete muga zeharkatu, ondorioz sistema itxiak izan behar dute.
• Sistema adiabatikoak: ez beroak ezta materiak ezin dezakete muga igaro.
• Sistema deformaezinak: bi puntu lotzen duen lerroan abiaduren proiekzioak berdinak badira. Solido trinko bat, adibidez.
• Sistema homogeneoak: propietate termodinamiko eta kimikoak uniformeak direnean sisteman zehar, edo jarraian aldatzen direnean puntu batetik bestera.
• Sistema heterogeneoak: propietate termodinamiko eta kimikoak berdinak ez direnean. Sistema hau eratzen duten zati homogeneo bakoitzari fase deitzen zaio.

Propietate termodinamikoak

Aldiune bakoitzean balio bat ezarri diezaiokegun sistema baten ezaugarri bat propietate bat da, sistemaren historia jakin beharrik ez dagoelarik. Adibidez presioa, masa eta bolumena zuzenean neurtu daitezkeen propietateak dira. Propietate baten balioaren aldaketa sistemak prozesu bat jasaten duenean hasiera eta amaierako egoeren menpe soilik dago, ez egin den bidearen menpe. Matematikoki propietate bat diferentzial zehatz bat dela esan nahi du. Y propietatea bada eta X_i (i = 1,2,...,k) sistemaren egoera zehazten duten propietateak, hurrengoa idatzi daiteke:

$dY=\sum _{i=1}^{k}{\frac {\partial Y}{\partial X_{i}}}dX_{i}$

deribatu gurutzatuen berdintasuna betetzen delarik:

${\frac {\partial ^{2}Y}{\partial X_{i}\partial X_{j}}}={\frac {\partial ^{2}Y}{\partial X_{j}\partial X_{i}}}$

Bidearen menpe ez dagoenez, sistemak prozesu bat jasan ondoren hasierako egoerara itzultzen bada propietateak berdinak izan behar dira. Beraz, aurrekoa adierazteko beste modu bat

$\oint dY=0$

da. Y ez balitz propietatea eta bidearen menpe balego, ez lirateke aurreko ekuazioak beteko.

Propietate intentsiboak

Propietate bat intentsiboa da sistemaren materia kantitatearen menpe ez badago. Honen adibide presioa eta tenperatura izan daitezke.

Propietate estentsiboak

Propietate estentsiboak sistemaren materia kantitatearen araberakoak dira. Hau da, sistema baten propietate estentsibo bat berau eratzen duten azpisistemen propietateen batura izango da. Adibidez, masa, entropia eta energia sistemaren materia kantitatearen menpe daude. Honelako propietate bat sistemaren masagatik zatitzen bada propietate intentsibo bihurtzen da eta propietate espezifiko izena hartzen du. Hala nola, bolumen espezifikoa sistemaren bolumenaren eta masaren arteko zatidura da.

Matematikoki, propietate estentsiboak lehenengo mailako funtzio homogeneoak dira, eta intentsiboak zero mailakoak.

Egoera, prozesuak eta oreka

Propietateen balioek sistemaren egoera bat zehazten dute. Egoera hau definitzen duten propietateen kopurua finitua da. Propietate bat edo gehiagoren balioak aldatzen direnean egoera aldatzen da eta sistemak prozesu bat jasan duela esaten da.

Oreka termodinamikoak mekanikoak baino zentzu zabalagoa dauka, oreka termikoa, faseen oreka eta oreka kimikoa ere kontuan hartzen baititu. Sistema bat orekan dagoenean ezin du egoeraren berezko aldaketa bat jasan inguruaren egoera ez bada aldatzen. Sistema bat orekan dagoen jakiteko, ingurutik isolatzen da eta propietateen aldaketa behatzen da. Propietateen balioak ez badira aldatzen sistema oreka egoeran dago. Prozesu batean, oreka egoera hau aldatu egiten da desoreka eraginez amaierako egoera arte. Horregatik, termodinamikan prozesu ia-estatikoa deitzen den prozesu ideala oso erabilia da. Prozesu honetan orekatik desbideratzea asko jota infinitesimala da, eta sistemaren egoera guztiak oreka egoeratzat hartu daitezke. Prozesu erreal bat ia-estatikotzat hartzeko, prozesuak irauten duen denborak erlaxazio-denbora baino askoz handiagoa izan behar du, erlaxazio-denbora propietate bat aldatu eta sistemak berriz oreka lortzen duen arteko denbora delarik. Horrela, prozesuaren edozein etapan sistemari denbora ematen dio oreka lortzeko eta prozesua, guztira, beraien artean oso hurbil dauden oreka egoeren segida da.

Prozesu termodinamikoak

Prozesua itzulgarriak edo itzulezinak izan daitezke. Lehenengo kasuan, bai sistema baita ingurua ere hasierako egoerara bihurtuak izan daitezke prozesua inbertitzen bada. Prozesu erreal guztiak itzulezinak dira, itzulezintasunen bat dutelako, bai termikoa, mekanikoa edo kimikoa.

• Prozesu isotermoa: tenperatura konstantean gertatzen direnei deritze.
• Prozesu isobaroa: presio konstantean gertatzen direnei deritze.
• Prozesu isokoroa: boluen konstantean gertatzen direnei deritze.
• Prozesu adiabatikoa: bero transferentziarik gabe gertatzen direnei deritze.
• Prozesu isoentropikoa: prozesu adiabatiko eta itzulgarriei deritze, haietan entropia aldaketarik gertatzen ez baita.
  

  Carnoten zikloa presio eta bolumen diagrama batetan adierazita

Prozesu baten hasierako eta amaierako egoera berdinak badira, sistemak ziklo termodinamiko bat jasan du. Zikloa amaitzean propietateen balioak berdinak dira.

• Carnoten zikloa: prozesu isotermo eta adiabatikoe pareak osatzen dute.
• Rankine zikloa: zentral termikoetan erabiltzen dena, uraren lurruntze eta kondentsazio prozesuetan oinarritzen da (prozesu isotermoak).
• Diesel zikloa: motoretan erabiltzen dena, erregaien konbustioan oinarritzen da (prozesu isokoroa).

Termodinamikaren legeak

Zero legea

Termodinamikaren zero legeak oreka termikoa trantsitiboa dela esaten du: bi sistema termodinamiko A eta B oreka termikoan badaude eta B eta C sistemak ere orekan badaude, orduan A eta C oreka termikoan daude.

Lehenengo legea

Termodinamikaren lehenengo legea energiaren kontserbazio bezala ere ezagutzen da. Dioenaren arabera, sistema baten energia aldaketa xurgatutako bero eta lanaren batura da.

Bigarren legea

Bigarren legea era ezberdinetan enuntziatua ageri da, baina agian ezagunena entropiari buruzkoa da: sistema isolatu baten entropia beti handiagotu egiten da balio maximo batera arte.

Hirugarren legea

Hirugarren legearen arabera, sistema baten tenperatura zero absolutura hurbildu ahala, prozesu guztiak gelditu egiten dira eta sistemaren entropia zerora hurbiltzen da.

Potentzial termodinamikoak

Zenbait funtzio aldagai natural deituriko aldagaietan adierazi daitezke, eta sistemaren egoeraren deskribapena ematen badute, potentzial termodinamikoak deitzen dira. Sistemak gordea duen energiaren neurria dira. Lau ezagunenak hurrengoak dira:

Barne energia	$U=U(S,V,N)\,$
Helmholtz energia askea	$A=A(T,V,N)=U-TS\,$
Entalpia	$H=H(S,p,N)=U+PV\,$
Gibbs energia askea	$G=G(T,p,N)=U+PV-TS\,$
Entropia	$\Delta S=S_{2}-S_{1}=\int _{1}^{2}{\partial Q \over T}$

Parentesi artekoak aldagai askeak dira sistema arrunt baten kasuan, T tenperatura, S entropia, p presioa, V bolumena eta N partikula kopurua direlarik.

Ikus, gainera

• Termodinamika itzulezina

Kanpo estekak

• Datuak: Q11473
• Multimedia: Thermodynamics