Θερμοδυναμική

Η Θερμοδυναμική είναι η μελέτη της μετατροπής της ενέργειας από μηχανική ενέργεια -έργο- σε θερμότητα και αντίστροφα, μέσα από τη μελέτη των θερμικών διεργασιών. Με τον όρο διεργασία εννοούμε την μετάβαση από τη μια κατάσταση ενός συστήματος σε μια άλλη. Η Θερμοδυναμική ασχολείται μόνο με την μακροσκοπική απόκριση των συστημάτων που την αποτελούν, την οποία και μπορούμε να υπολογίσουμε πειραματικά. Η Θερμοδυναμική σήμερα αποτελεί έναν πολύ βασικό κλάδο της Φυσικής, με πολλές εφαρμογές σε άλλες επιστήμες, και διδάσκεται ως προπτυχιακό μάθημα σε επιστήμονες και μηχανικούς σε όλο τον κόσμο.

Ενδεικτική θερμοδυναμική διεργασία που απεικονίζει την αρχή λειτουργίας μιας ατμομηχανής (κόκκινο = πολύ θερμό, κίτρινο = λιγότερο θερμό, μπλε = τελική θερμοκρασία ρευστού).

Η λέξη «Θερμοδυναμική» έχει το εξής νόημα:

Θερμοδυναμική = «θερμο» + «δυναμική», δηλαδή ο τομέας της Φυσικής που ασχολείται με την δυναμική (μεταφορά και μετατροπή σε άλλη μορφή ενέργειας) της θερμότητας

Θερμότητα: μορφή της ενέργειας που μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ τους (μάλιστα η κατεύθυνση της αυθόρμητης μεταφοράς της θερμότητας είναι από το θερμότερο προς το ψυχρότερο αντικείμενο)

Εισαγωγή

Η επιστήμη της Θερμοδυναμικής έχει τη βάση της σε τρεις θεμελιώδεις νόμους. Μέσα από τους νόμους εισάγονται δύο κεντρικές της έννοιες, η ενέργεια και η εντροπία. Κεντρικές στη μελέτη της Θερμοδυναμικής είναι οι έννοιες του συστήματος και του περιβάλλοντος. Αν και η συστηματική μελέτη της Θερμοδυναμικής ξεκίνησε από την κατασκευή των πρώτων κινητήρων στα τέλη του 17ου αιώνα, σήμερα έχει αποκτήσει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε άλλες επιστήμες πλην της μηχανικής και των εφαρμογών της όπως η χημεία, η βιολογία και η επιστήμη υλικών

Ιστορία και εξέλιξη

Η ιδέα για τη χρήση της θερμότητας για τη μετάδοση κίνησης υπάρχει από την αρχαιότητα, εντούτοις οι θερμικές μηχανές εκείνης της περιόδου δεν είχαν πρακτική χρήση. Η πρώτη θερμική μηχανή είναι ο αιολικός κινητήρας του Ήρωνα. Ο Ήρωνας περιγράφει και ένα σύστημα που έκλεινε τις πόρτες ενός ναού με χρήση της θερμότητας από τη φωτιά που άναβε το βωμό του ναού. Το μοντέρνο ενδιαφέρον για τη Θερμοδυναμική σαν επιστήμη ξεκινά με την κατασκευή του πρώτου κινητήρα ατμού από τον Τόμας Σέιβερι (Thomas Savery) το 1697 και τον Τόμας Νιουκόμεν (Thomas Newcomen) στην Αγγλία το 1712. Έκτοτε, η ιστορία της Θερμοδυναμικής είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την εικόνα που είχε ο άνθρωπος για τη θερμότητα. Αρχικά υπήρχε η αντίληψη ότι η θερμότητα ήταν ένα είδος ρευστού, και η θέρμανση ενός σώματος δεν ήταν παρά η μεταφορά αυτού του ρευστού από το ένα σώμα στο άλλο. Εντούτοις, αυτή η αντίληψη δεν απέτρεψε τον Σαντί Καρνό (Sadi Carnot), τον "πατέρα της Θερμοδυναμικής" να αντιληφθεί τους φυσικούς περιορισμούς της μετατροπής αυτού του "θερμικού ρευστού" σε έργο, και να διατυπώσει, μόλις το 1824, αυτό που σήμερα αποκαλούμε δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής. Θα έπρεπε να περάσουν άλλα 18 χρόνια μέχρι να ανακαλύψει ο R. J. Mayer την ισοδυναμία έργου και θερμότητας, και να διατυπώσει την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Ο όρος Θερμοδυναμική χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1849 από τον λόρδο Κέλβιν, ενώ το πρώτο σύγγραμμα πάνω στο αντικείμενο γράφτηκε το 1859 από τον καθηγητή Ουίλιαμ Ράνκιν (William Rankine).

Νόμοι της Θερμοδυναμικής

Ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής είναι μια διατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας, και ορίζει την ενέργεια σαν μια ακόμα θερμοδυναμική ιδιότητα. Δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί, ούτε να καταστραφεί, μπορεί μόνο να μετατραπεί από τη μια μορφή στην άλλη.

Για το δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής υπάρχουν διάφορες διατυπώσεις. Μια από τις πρώτες προήλθε από τον Ρούντολφ Κλαούζιους, ο οποίος είπε ότι είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια συσκευή η οποία να λειτουργεί σε κύκλο και να έχει ως μοναδικό αποτέλεσμα την αφαίρεση θερμότητας από ένα σώμα σε μια θερμοκρασία και την απορρόφηση ίσης ποσότητας θερμότητας από ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας, δηλαδή υπαγορεύει το αδύνατο κατασκευής ενός αεικίνητου.

Ο τρίτος νόμος της Θερμοδυναμικής ορίζει ότι η εντροπία ενός συστήματος σε απόλυτη θερμοκρασία (Τ = 0 Κ) είναι μηδέν (δηλαδή S = 0). Η φυσική ερμηνεία αυτού του νόμου, υποδεικνύει ότι είναι αδύνατον η θερμοκρασία ενός συστήματος να φτάσει μέσω μιας διεργασίας στο απόλυτο μηδέν της κλίμακας Κέλβιν σε πεπερασμένο αριθμό βημάτων.

Δείτε επίσης

• Θερμότητα
• Ύλη
• Κινητική θεωρία
• Νόμοι των αερίων
• Μηχανή Carnot
• Εντροπία
• Πίεση

Περισσότερες πληροφορίες

• Goldstein, Martin· Inge F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press. ISBN 978-0-674-75325-9. OCLC 32826343.  A nontechnical introduction, good on historical and interpretive matters.
• Kazakov, Andrei; Muzny, Chris D.; Chirico, Robert D.; Diky, Vladimir V.; Frenkel, Michael (2008). «Web Thermo Tables – an On-Line Version of the TRC Thermodynamic Tables». Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 113 (4): 209–220. doi:10.6028/jres.113.016. ISSN 1044-677X. PMID 27096122. 
• Gibbs J.W. (1928). The Collected Works of J. Willard Gibbs Thermodynamics. New York: Longmans, Green and Co.  Vol. 1, pp. 55–349.
• Guggenheim E.A. (1933). Modern thermodynamics by the methods of Willard Gibbs. London: Methuen & co. ltd. 
• Denbigh K. (1981). The Principles of Chemical Equilibrium: With Applications in Chemistry and Chemical Engineering. London: Cambridge University Press. 
• Stull, D.R., Westrum Jr., E.F. and Sinke, G.C. (1969). The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds. London: John Wiley and Sons, Inc. 
• Bazarov I.P. (2010). Thermodynamics: Textbook. St. Petersburg: Lan publishing house. σελ. 384. ISBN 978-5-8114-1003-3.  5th ed. (in Russian)
• Bawendi Moungi G., Alberty Robert A. and Silbey Robert J. (2004). Physical Chemistry. J. Wiley & Sons, Incorporated. 
• Alberty Robert A. (2003). Thermodynamics of Biochemical Reactions. Wiley-Interscience. 
• Alberty Robert A. (2006). Biochemical Thermodynamics: Applications of Mathematica. Methods of Biochemical Analysis. 48. John Wiley & Sons, Inc. σελίδες 1–458. ISBN 978-0-471-75798-6. PMID 16878778. 
• Dill Ken A., Bromberg Sarina (2011). Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Biology, Chemistry, Physics, and Nanoscience. Garland Science. ISBN 978-0-8153-4430-8. 
• M. Scott Shell (2015). Thermodynamics and Statistical Mechanics: An Integrated Approach. Cambridge University Press. ISBN 978-1107656789. 
• Douglas E. Barrick (2018). Biomolecular Thermodynamics: From Theory to Applications. CRC Press. ISBN 978-1-4398-0019-5. 

Οι ακόλουθοι τίτλοι είναι πιο εξειδικευμένοι:

• Bejan, Adrian (2016). Advanced Engineering Thermodynamics (4 έκδοση). Wiley. ISBN 978-1-119-05209-8. 
• Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A. (2002). Thermodynamics – an Engineering Approach. McGraw Hill. ISBN 978-0-07-238332-4. OCLC 45791449. 
• Dunning-Davies, Jeremy (1997). Concise Thermodynamics: Principles and Applications. Horwood Publishing. ISBN 978-1-8985-6315-0. OCLC 36025958. 
• Kroemer, Herbert· Kittel, Charles (1980). Thermal Physics. W.H. Freeman Company. ISBN 978-0-7167-1088-2. OCLC 32932988. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Thermodynamics Data & Property Calculation Websites Αρχειοθετήθηκε 2014-02-11 στο Wayback Machine.

Προτεινόμενη βιβλιογραφία

• P. Atkins & J. de Paula, Φυσικοχημεία (μετάφραση 9^ης ξενόγλωσσης έκδοσης), Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, 2015, ISBN 978-960-524-431-6