Termodinamika is die tak van die fisika wat oor warmte, arbeid en temperatuur handel, en oor die verband daarvan met energie, entropie en die fisiese eienskappe van materie en straling. Die gedrag van hierdie groothede word deur die vier wette van die termodinamika beheers, wat 'n kwantitatiewe beskrywing met behulp van meetbare makroskopiese groothede gee maar ook in terme van mikroskopiese bestanddele deur die statistiese meganika verklaar kan word. Die termodinamika is op talle onderwerpe in die wetenskap en die ingenieurswese van toepassing, veral op die fisiese chemie, biochemie, chemiese ingenieurswese en meganiese ingenieurswese, sowel as op meer ingewikkelde velde soos die meteorologie.
Termodinamika vorm 'n kernonderdeel van die vak fisiese chemie, al is dit as vakgebied streng gesproke ouer as die fisiese chemie.
Die ontstaan van Termodinamika hang nou saam met die uitvinding van die stoommasjien in die 18de eeu. Die ontwikkeling van die onderliggende teorieë vind veral in die 19de eeu plaas en word onlosmaaklik met mense soos Sadi Carnot, Clapeyron, Clausius, Gibbs, Helmholtz, Boltzmann en J.H. van 't Hoff verbind.
Geskiedenis Die geskiedenis van die termodinamika as wetenskaplike dissipline begin oor die algemeen met Otto von Guericke, wat in 1650 die wêreld se eerste vakuumpomp gebou en ontwerp het en 'n vakuum met sy Magdeburgse halfbolle gedemonstreer het. Guericke wou 'n vakuum skep om Aristoteles se lank gehandhaafde veronderstelling dat "die natuur 'n vakuum verafsku" te weerlê. Kort ná Guericke het die Anglo-Ierse fisikus en chemikus Robert Boyle van sy ontwerpe verneem en in 1656, saam met die Engelse wetenskaplike Robert Hooke, 'n lugpomp gebou. Met dié pomp het Boyle en Hooke 'n verband tussen druk, temperatuur en volume opgemerk, en met tyd is die wet van Boyle geformuleer, wat sê dat druk en volume omgekeerd proporsioneel is.
In 1679 het 'n medewerker van Boyle, Denis Papin, op grond van hierdie begrippe 'n stoomkoker gebou: 'n geslote vat met 'n stywe deksel wat stoom vasgehou het totdat 'n hoë druk opgebou is. Latere ontwerpe het 'n stoomvrylatingsklap ingesluit wat verhoed het dat die masjien ontplof. Deur te sien hoe die klap ritmies op en af beweeg, het Papin op die gedagte van 'n suier en 'n silinderenjin gekom, hoewel hy nooit sy ontwerp uitgevoer het nie. In 1697 het die ingenieur Thomas Savery op grond van Papin se ontwerpe die eerste enjin gebou, gevolg deur Thomas Newcomen in 1712. Hoewel hierdie vroeë enjins grof en ondoeltreffend was, het hulle die aandag van die vooraanstaande wetenskaplikes van die tyd getrek.
Die grondbegrippe van warmtekapasiteit en latente warmte, wat vir die ontwikkeling van die termodinamika nodig was, is deur professor Joseph Black aan die Universiteit van Glasgow ontwikkel, waar James Watt as instrumentmaker in diens was. Black en Watt het saam eksperimente gedoen, maar dit was Watt wat op die gedagte van 'n afsonderlike kondensor gekom het, wat 'n groot toename in die doeltreffendheid van die stoomenjin tot gevolg gehad het.
Al die voorafgaande werk het Sadi Carnot, "die vader van die termodinamika", gelei om in 1824 Réflexions sur la puissance motrice du feu te publiseer, 'n verhandeling oor warmte, krag, energie en die doeltreffendheid van enjins. Die boek het die grondliggende energieverhoudinge tussen die Carnot-enjin, die Carnot-siklus en dryfkrag uiteengesit en die begin van die termodinamika as 'n moderne wetenskap gemerk. Die eerste handboek oor termodinamika is in 1859 deur William Rankine geskryf, wat as ingenieursprofessor aan die Universiteit van Glasgow verbonde was. Die eerste en tweede wette van die termodinamika het gelyktydig in die 1850's ontstaan, hoofsaaklik uit die werk van Rankine, Rudolf Clausius en William Thomson.
Clausius, wat die basiese gedagtes van die tweede wet die eerste keer in sy artikel Über die bewegende Kraft der Wärme van 1850 gestel het, het die begrip entropie in 1865 ingevoer. Tussen 1873 en 1876 het die Amerikaanse wiskundige fisikus Josiah Willard Gibbs 'n reeks van drie artikels gepubliseer, waarvan On the Equilibrium of Heterogeneous Substances die bekendste is, waarin hy gewys het hoe termodinamiese prosesse – ook chemiese reaksies – grafies ontleed kan word deur die energie, entropie, volume, temperatuur en druk van 'n stelsel te bestudeer, en so vasgestel kan word of 'n proses spontaan sal verloop. Die grondslae van die statistiese termodinamika is deur fisici soos James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Clausius en Gibbs gelê. Vroeg in die 20ste eeu het chemici soos Gilbert N. Lewis, Merle Randall en E.A. Guggenheim Gibbs se wiskundige metodes op die ontleding van chemiese prosesse toegepas.
Etimologie Die woord termodinamika bestaan uit twee dele wat na Antieke Grieks teruggevoer kan word: thermo- ("van warmte", soos in termometer) van die stam θέρμη (therme), "warmte", en dinamika ("wetenskap van krag of vermoë") van die stam δύναμις (dynamis), "vermoë". Die byvoeglike naamwoord thermo-dynamic is in 1849 deur William Thomson gebruik, en in 1854 het Thomson en William Rankine die selfstandige naamwoord thermo-dynamics gebruik om die wetenskap van veralgemeende hitte-enjins aan te dui. Thomson het in 1854 ook die eerste bondige definisie van die vakgebied gegee: "Termodinamika is die onderwerp van die verhouding van warmte tot kragte wat tussen aangrensende dele van liggame werk, en van die verhouding van warmte tot elektriese werking."
Takke van die termodinamika Die studie van termodinamiese stelsels het in verskeie verwante takke ontwikkel, wat elk 'n ander grondmodel as teoretiese of eksperimentele basis gebruik, of die beginsels op verskillende soorte stelsels toepas.
Klassieke termodinamika Klassieke termodinamika is die beskrywing van die toestande van termodinamiese stelsels naby ewewig met behulp van makroskopiese, meetbare eienskappe. Dit word gebruik om die uitruil van energie, arbeid en warmte op grond van die wette van die termodinamika te modelleer. Die aanduiding klassiek weerspieël die feit dat dit die eerste vlak van begrip van die vak verteenwoordig soos dit in die 19de eeu ontwikkel het, en dat dit die verandering van 'n stelsel in terme van makroskopiese empiriese parameters beskryf.
Chemiese termodinamika Chemiese termodinamika is die studie van die onderlinge verband tussen energie en chemiese reaksies, of 'n fisiese verandering van toestand, binne die grense van die wette van die termodinamika. Die primêre doel daarvan is om die spontaneïteit van 'n gegewe omsetting te bepaal.
Ewewigstermodinamika Ewewigstermodinamika is die studie van die oordrag van materie en energie in stelsels of liggame wat deur invloede in hul omgewing van een toestand van termodinamiese ewewig na 'n ander gedryf kan word. Die term "termodinamiese ewewig" dui op 'n toestand van balans waarin alle makroskopiese vloeie nul is. In 'n ewewigstoestand is daar geen ongebalanseerde potensiale of dryfkragte tussen makroskopies onderskeibare dele van die stelsel nie. 'n Sentrale doel van die ewewigstermodinamika is om, gegewe 'n stelsel in 'n goed gedefinieerde aanvanklike ewewigstoestand asook sy omgewing en sy begrensende wande, te bereken wat die finale ewewigstoestand sal wees nadat 'n bepaalde termodinamiese bewerking daardie wande of omgewing verander het.
Nie-ewewigstermodinamika Nie-ewewigstermodinamika behandel stelsels wat nie in termodinamiese ewewig is nie. Die meeste stelsels wat in die natuur voorkom, is nie in termodinamiese ewewig nie, omdat hulle nie in stasionêre toestande is nie en aanhoudend aan die vloei van materie en energie na en van ander stelsels onderworpe is. Die termodinamiese studie van sulke stelsels verg meer algemene begrippe as dié wat die ewewigstermodinamika hanteer, en baie natuurlike stelsels bly vandag nog buite die bereik van die bekende makroskopiese termodinamiese metodes.
Die vierde groot tak, die statistiese termodinamika of statistiese meganika, word hieronder afsonderlik behandel.
Temperatuur en warmte In die 18de eeu is die begrip temperatuur ontwikkel saam met die ontwikkeling van die termometer waarmee hierdie grootheid gemeet word. 'n Suksesvolle relatiewe skaal is ontwikkel wat die smeltpunt en kookpunte van water as ykpunte ingespan het (die Celsiusskaal). Dit het later duidelik geword dat dit moontlik is om 'n absolute skaal te definieer. 'n Skaal is toe op so 'n wyse ontwikkel waar die indelings dieselfde grootte as die Celsiusskaal sou hê, maar waar die nulpunt by die absolute nulpunt sou begin, eerder as by die vriespunt van water. Dit bring mee dat temperatuurverskille wat in Kelvin en Celsius bereken word dieselfde numeriese waarde het. Die skaal word die Kelvinskaal genoem en is na Lord Kelvin vernoem.
Dit het ook duidelik geword dat hitte 'n meetbare grootheid was, wat spontaan van 'n liggaam met 'n hoër temperatuur na 'n liggaam met 'n laer temperatuur sou vloei. (Sekere mense verwys soms na hierdie verskynsel as die nulde wet van termodinamika.) Daar is toe vasgestel dat daar verskillende hoeveelhede van hierdie grootheid nodig was om dieselfde temperatuurverskil in verskillende materiale teweeg te bring. Dit neem byvoorbeeld 'n ander hoeveelheid warmte om een gram water met een graad Celsius te verhit as om een gram lood met dieselfde hoeveelheid te verhit. Dit het dan aanleiding gegee tot die ontwikkeling van die begrip van spesifieke warmtekapasiteit.
Wetenskaplikes het toe uit hulle waarnemings sekere natuurwette waargeneem en daaruit die vier grondliggende wette van termodinamika neergepen.
Die nulde wet van termodinamika Die nulde wet van die termodinamika sê: Indien twee stelsels elkeen in termiese ewewig met 'n derde stelsel is, is hulle ook in termiese ewewig met mekaar.
Die stelling impliseer dat termiese ewewig 'n ekwivalensieverhouding op die versameling termodinamiese stelsels onder beskouing is. Stelsels is in ewewig indien die klein, toevallige uitruilings tussen hulle – soos Brownse beweging – nie tot 'n netto verandering in energie lei nie. Hierdie wet word stilswyend in elke temperatuurmeting veronderstel: as 'n mens wil besluit of twee liggame dieselfde temperatuur het, is dit nie nodig om hulle in kontak te bring en veranderinge in hul waarneembare eienskappe oor tyd te meet nie. Die wet gee 'n empiriese definisie van temperatuur en regverdig die bou van praktiese termometers.
Die nulde wet is nie oorspronklik as 'n afsonderlike wet van die termodinamika erken nie, aangesien die grondslag daarvan in die termodinamiese ewewig in die ander wette geïmpliseer is. Die eerste, tweede en derde wette is al uitdruklik gestel en algemeen aanvaar in die fisikagemeenskap voordat die belang van die nulde wet vir die definisie van temperatuur besef is. Omdat dit onprakties was om die ander wette te hernommer, is dit die nulde wet genoem.
Die eerste wet van Termodinamika: warmte en arbeid Daar is geglo dat warmte 'n soort vloeistof was, wat nie vernietig of geskep kon word nie, maar dit het spoedig geblyk dat dit verkeerd was. Wanneer twee voorwerpe teen mekaar geskuur word, veroorsaak die wrywing byvoorbeeld dat warmte vloei. Daar is toe vasgestel dat die hoeveelheid warmte wat met wrywing vrygestel word ooreenkom met die hoeveelheid arbeid (=krag · afstand) betrokke by die wrywing. Warmte en arbeid (ook werk genoem) is oorspronklik in twee verskillende eenhede uitgedruk, maar dit het duidelik geword dat dit moontlik is om die twee groothede aan mekaar gelyk te stel. 'n Nuwe definisie van warmte is toe ontwikkel wat bepaal dat warmte gelykstaande is aan die werk plus die energie: Q = W + ΔU. Dit lei dan tot die Eerste Wet van Termodinamika.
In 'n geslote stelsel bly die Energie U konstant.