Termodinamika

UNIVERZITET U NIŠU 

MAŠINSKI FAKULTET

Predavanje 1 

1. UVOD. OSNOVNI POJMOVI I DEFINICIJE 

 
Termodinamika kao deo teorijske fizike, istorijski posmatrano, razvila se u devetnaestom veku 

u teoriju kojom su se izu

č

avali procesi u mašinama u kojima se toplota pretvarala u koristan rad. 

Sama re

č

 termodinamika je gr

č

kog porekla i nastala je kao kovanica dveju re

č

i: "termo" koja 

ozna

č

ava toplotu i "dinamikos" kojom je ozna

č

ena sila. Time bi se ove re

č

i mogle protuma

č

iti kao 

"kretanje toplote" kako je na to prvi ukazao 

Sadi Karno (1824. godine)

 razmatraju

ć

i pretvaranje 

toplote u mehani

č

ki rad. Iz tih razloga se 

č

esto, ranijim definicijama, termodinamika prikazivala kao 

nauka koja daje vezu izme

đ

u toplote i rada. 

Termodinamika je nauka koja se bavi toplotnim promenama stanja, odnosno transformacijom 

jednog oblika energije u drugi oblik energije, pre svega mehani

č

ke energije u toplotnu energiju i 

obrnuto. Jedni oblici energije se pretvaraju u druge oblike bez ograni

č

enja, ali postoje i takve 

transformacije gde su potrebna ograni

č

enja, npr. pretvaranje toplotne energije u mehani

č

ku energiju. 

Zbog toga se toplotna energija smatra nižim vidom energije. 

Danas se termodinamika posmatra kao opšta nau

č

na disciplina o energiji tako da njeni 

zaklju

č

ci nalaze primenu u fizici, hemiji, biologiji, medicini, informatici i drugim disciplinama. 

Termodinamika se u literaturi koristi i u specifi

č

nom zna

č

enju. Tako, termofizika prou

č

ava toplotnu 

energiju tokom fizi

č

kih promena radne materije, termohemija izu

č

ava toplotnu energiju tokom 

hemijskih promena radne materije. 

Energija predstavlja sposobnost nekog tela za vršenje rada. Energija je svojstvo materije i 

ona se manifestuje preko makroskopskih (vidljivih) i mikroskopskih (nevidljivih) promena stanja radne 
materije. Mehani

č

ka energija (kineti

č

ka, potencijalna) se manifestuje preko makroskopskih promena 

stanja radne materije. Toplotna energija se javlja kao posledica unutar molekulskih promena. 

Nauka koja izu

č

ava toplotne promene preko makroskopskih promena stanja radne materije je 

klasi

č

na termodinamika (fenomenološka), a mikroskopskih statisti

č

ka termodinamika. Nauka koja se 

bavi prou

č

avanjem neravnotežnih stanja, i procesa dovo

đ

enja materije u stanje ravnoteže naziva se 

termodinamika nepovratnih procesa. 

Iako postoji ve

ć

i broj podela danas se fenomenološka termodinamika deli na: 

- 

opštu, 

- 

tehni

č

ku i 

- 

hemijsku termodinamiku. 
Nas prvenstveno interesuje tehni

č

ka termodinamika. 

Opšta termodinamika, utvr

đ

uje teorijske osnove termodinamike i daje principe termodinamike. 

Ona prou

č

ava pretvaranja energije u razli

č

ite oblike uklju

č

uju

ć

i elektri

č

ne, magnetne, površinske i 

druge pojave, u 

č

vrstim, te

č

nim i gasovitim telima. 

Tehni

č

ka termodinamika prvenstveno razmatra pretvaranje toplote u rad i obratno. Pri tome se 

uspostavljaju veze izme

đ

u termi

č

kih, mehani

č

kih i hemijskih procesa, koji se odigravaju u termi

č

kim 

mašinama, sa ciljem da se odredi termi

č

ki stepen iskoriš

ć

enja energije u tim mašinama. To je, ina

č

e, 

od osnovnog zna

č

aja za racionalno koriš

ć

enje energije i eksploataciju tih mašina. 

Hemijska termodinamika prou

č

ava primenu termodinami

č

kih principa na hemijske i fizi

č

ko-

hemijske pojave i stanja fazne i hemijske ravnoteže uklju

č

uju

ć

i u ta izu

č

avanja i uticaj spoljnih faktora 

na stanja ravnoteže. 
Principi termodinamike se formulišu kroz aksiomatske zaklju

č

ke i poznati su kao nulti, prvi, drugi i 

tre

ć

i princip termodinamike. Svi termodinami

č

ki principi su izvedeni iz eksperimentalnih zaklju

č

aka i 

opažanja i svaki od njih predstavlja aksiomatsko uopštavanje eksperimentalnih istraživanja. 

Nulti princip termodinamike definiše osnove za termi

č

ku ravnotežu sistema. Dva sistema 

ć

e 

biti u termi

č

koj ravnoteži, ako su u termi

č

koj ravnoteži sa tre

ć

im sistemom. Nulti princip 

termodinamike uvodi u razmatranje temperaturu. Ako dva tela imaju istu temperaturu sa tre

ć

im telom 

onda su ona u termi

č

koj ravnoteži. 

2

Prvi princip: Energiju je nemogu

ć

e stvoriti niti uništiti, ve

ć

 je samo transformisati iz jednog u 

drugi oblik. Prvim principom termodinamike se objašnjava koncept unutrašnje energije zatvorenog 
sistema, odnosno koncept entalpije otvorenog sistema, i njihove promene povezuju sa energetskom 
interakcijom sistema i njegove okoline. 
Na taj na

č

in se iz zakona održanja i pretvaranja energije utvr

đ

uju odnosi izme

đ

u razli

č

itih oblika 

energije prisutnih u sistemu, ili na njegovoj granici, tokom termodinami

č

kih procesa. 

Drugim principom termodinamike se utvr

đ

uju uslovi, mogu

ć

nosti i smer termodinami

č

kih 

procesa. Smer svih procesa u prirodi je ka stanju ravnoteže. Uvo

đ

enjem principa pove

ć

anja entropije 

definišu se i granice u pretvaranju jednog oblika kretanja materije u druge oblike, a samim tim i 
pretvaranju toplote u koristan rad. 

Tre

ć

im principom termodinamike se definise apsulutna vrednost entropije proizašla iz 

eksperimentalnog zaklju

č

ka da je za povratan preces promena entropije materije na temperaturi 

apsolutne nule jednaka nuli. Sa fenomenološke ta

č

ke gledišta ovaj princip ne sledi niti iz prvog niti iz 

drugog principa termodinamike. Ipak, isti se može izvesti na osnovu drugog principa termodinamike i 
kvantne mehanike. 

Fenomenološka termodinamika istražuju

ć

i opšte osobine makroskopskih sistema u stanju 

ravnoteže i opšte zakonitosti makroskopskih procesa polazi od termodinami

č

kog sistema kao celine. 

Takav pristup ne zahteva nikakvu hipotezu o atomsko-molekularnoj strukturi materije, prirodi 
pojedinih 

č

estica ili pak prirodi njihovih me

đ

usobnih interakcija. U tome se ogleda fenomenološki 

karakter klasi

č

ne termodinamike i opštost njenih zaklju

č

aka. 

Sa stanovišta fenomenološke termodinamike makroskopsko opisivanje pojava i 

makroskopsko razmatranje fizi

č

kih veli

č

ina je sasvim dovoljno za izvo

đ

enje svih zaklju

č

aka. 

Termodinamika može predskazati mnoge veze izme

đ

u razli

č

itih osobina koje karakterišu materiju. 

Zbog toga ona polazi od makroskopskih osobina materije kao sto su: pritisak, temperatura, 
zapremina, koncentracija rastvora, ja

č

ina elektri

č

nog ili magnetnog polja, intenzitet zra

č

enja i sli

č

no, 

procenjuju

ć

i stanje sistema pomo

ć

u merIjivih, fizi

č

kih, veli

č

ina supstancije. Me

đ

utim, neki put se ne 

može objasniti zašto su takve veze uspostavljene.  

Č

esto puta je mnogo važnije, kako je to sIu

č

aj u inženjerskoj praksi, znati reIacije koje su 

uspostavljene izme

đ

u pojedinih osobina materije nego Ii razotkrivanje objašnjenja tih osobina 

pomo

ć

u onih izraza koji slede iz razmatranja same strukture materije. 

Me

đ

utim, time uopšte nije razjašnjen fizi

č

ki smisao takvih i tako definisanih veli

č

ina. Iz tih 

razloga se makroskopske pojave nastoje objasniti mikrostrukturom i mikrostanjima izabranog 
termodinami

č

kog sistema. Polaze

ć

i od mikrostanja i mikrostrukture makroksopskog sistema 

statisti

č

kim metodama se utvr

đ

uju opšte osobine makroskopskih veli

č

ina i opšte zakonitosti 

makroskopskih procesa i tako uokvirava nau

č

ni sadržaj statisti

č

ke termodinamike.  

Razlika izme

đ

u makroskopskog i mikroskopskog pristupa se može ilustrovati na primeru 

pritiska koji ispoljava neki gas u zatvorenom sudu. Neka se gas sastoji od velikog broja istoimenih 
molekula i neka u svakom kubnom santimetru ima 10

20

 molekula. Nesporno je da je za svaki molekul 

karakteristi

č

no: odre

đ

ena masa, položaj u prostoru i vremenu, brzina i koIi

č

ina kretanja. Statisti

č

ka 

termodinamika opisuje ponašanje tog gasa pomo

ć

u ponašanja svakog molekula, a zatim se vrši 

usrednjavanje (statisti

č

kim metodama teorije verovatno

ć

e) njihovih individualnih osobina. Pritisak 

gasa u nekoj ta

č

ki sistema, za izabrani trenutak vremena, zavisi

ć

e od ponašanja molekula koji se 

nalaze u neposrednoj blizini te ta

č

ke. Ovaj pritisak 

ć

e fluktuirati sa vremenom i zavisi

ć

e od haoti

č

nog 

kretanja moIekula. Me

đ

utim, primeni Ii se statisti

č

ki metod može se predskazati srednje ponašanje 

svih molekula koje ostaje nepromenjeno iako se ponašanje pojedinih moIekuIa znatno razlikuje od 
usrednjene vrednosti. Prema tome, pritisak, kao merljiva fizi

č

ka veli

č

ina, 

ć

e dobiti svoje 

makroskopsko zna

č

enje tek kada se utvrdi usrednjen efekat dejstva velikog broja moIekula na 

izabranu površinu suda. Makroskopski pristup, kojim se koristi fenomenološka termodinamika, 
definiše pritisak kao ukupnu silu koja deluje normalno na jedinicu površine nezavisno od toga kakve 
je prirode ta sila. 

Jasno je da se pri izu

č

avanju iste pojave, bez obzira koja se termodinami

č

ka metoda 

primenjuje, mora dobiti rešenje 

č

iji je rezuItat isti za obe metode. Ova 

č

injenica omogu

ć

ava klasi

č

noj 

termodinamici da bude iskoriš

ć

ena za proveru molekulskih teorija i preko takvih teorija dobijenih 

zavisnosti za izu

č

avanu pojavu. 

Osnovni problem koji se pojavljuje u fenomenološkoj klasi

č

noj termodinamici vezan je za 

odre

đ

ivanje ravnotežnog stanja sistema. Ukoliko se obavljeni proces može idealizovati (povratan, 

kvazistati

č

ki), tada se kombinovanjem termodinami

č

kih principa, fundamentalnih jedna

č

ina