Základy termodynamiky

Jaké jsou základy termodynamiky?

 

  1. Úvod do termodynamiky

Termodynamika, vědní obor v rámci fyziky, zkoumá tepelné vlastnosti a dynamiku jejich přeměn. Kořeny termodynamiky sahají do období průmyslové revoluce 18. a 19. století, kdy se přeměna tepelné energie na mechanickou stala klíčovým faktorem fungování strojů. Toto století se také nazývá „století páry“.

Nenechme se mýlit, že stroje poháněny párou jsou něco, co patří minulosti. Například veškeré jaderné nebo tepelné elektrárny využívají páru k pohonu turbín, které pak generují elektrickou energii.

Na tomto základě byly formulovány klíčové termodynamické zákony.

V oblasti chemie je termodynamika zásadní při analýze energetických změn v průběhu reakcí, skupenských přeměn a rovnovážných procesů.

  1. Klíčové pojmy v termodynamice

Termodynamický systém představuje část prostoru, kde probíhá zkoumaný jev, zatímco veškerý okolní prostor je nazýván okolím. Systémy dělíme podle schopnosti jejich hranic propouštět energii nebo hmotu:

  • Izolovaný systém (např. termoska) nepropouští ani hmotu, ani energii.
  • Uzavřený systém (např. takový hrnec) umožňuje průchod energie, ale ne hmoty.
  • Otevřený systém (např. hrnek horkého čaje, uvolňuje páru i teplo) umožňuje přenos hmoty i energie.

Stavové veličiny, jako jsou objem, tlak a teplota, charakterizují aktuální stav systému, zatímco procesní veličiny popisují děje v systému, například práci a teplo. Stavové veličiny rozlišujeme na:

  • Extenzivní (např. objem), závislé na velikosti systému.
  • Intenzivní (např. hustota), nezávislé na velikosti systému.

Termodynamický děj mění stavové veličiny systému. Podle zachování určité veličiny dělíme děje na:

  • Izobarický (konstantní tlak)
  • Izotermický (konstantní teplota)
  • Izochorický (konstantní objem)
  • Adiabatický (bez výměny tepla s okolím)
  1. Základní termodynamické zákony

3.1 První termodynamický zákon

První termodynamický zákon rozšiřuje zákon o zachování energie, kdy přeměny mechanické energie na teplo a práci jsou v systému vyrovnané. Tento princip je známý také jako zákon o zachování energie, přičemž změna vnitřní energie systému je součtem dodané práce a tepla. Významným příkladem je práce objemová, například při rozpínání plynu ve válci, kdy se objem mění působením tlaku na píst.

Entalpie (H), definovaná jako H=U+pV, reprezentuje celkovou energii systému, zásadní pro chemické reakce, kde určuje energetický obsah molekul.

3.2 Druhý termodynamický zákon

Druhý zákon určuje směr dějů prostřednictvím veličiny entropie (S), která udává míru neuspořádanosti systému. Děje vedoucí k nárůstu entropie probíhají spontánně, například rozbití vajíčka, kdy neuspořádanost vzrůstá. Tento zákon je základem pro tok času – entropie se v čase zvyšuje, což odlišuje minulost od budoucnosti.

3.3 Třetí termodynamický zákon

Třetí zákon tvrdí, že entropie dosahuje nuly při absolutní nule teploty (0 K), což je však nedosažitelná hodnota. Tento zákon poskytuje absolutní referenční bod pro měření entropie. V chemii je důležitá Gibbsova energie (G = H-TS), která určuje potenciál molekul k reakci a slouží jako kritérium pro spontánnost děje.

  1. Chemické aplikace termodynamiky

Termodynamika se v chemii uplatňuje zejména při studiu termochemie, která zkoumá tepelné změny při reakcích.

Tepelná kapacita látek udává teplo potřebné ke zvýšení teploty látky o 1 Kelvin. Znalost tepelných kapacit reaktantů umožňuje výpočet reakční entalpie.

Gibbsova energie je kritériem chemické rovnováhy – její nulová hodnota znamená rovnováhu, kladná značí samovolný děj a záporná pak nesamovolný proces.

 

Grafický návrh vytvořil a nakódoval Shoptak.cz