Knjiga za Termodinamiku 1

UVOD

Klasična ili ravnotežna termodinamika

Termodinamika je dio fizike koji proučava toplinska stanja materije, definira makroskopska svojstva i utvrđuje matematičke relacije koje takva svojstva (termodinamičke koordinate) povezuju u stanju ravnoteže zatvorenih sustava. Pretpostavlja se da je stanje svakog od sudionika procesa jednoznačno opisano setom pripadnih termodinamičkih koordinata, tj. da u domeni sudionika one imaju konstantnu vrijednost (homogeni fluidi).
Termodinamičke relacije, koje vrijede za stanje ravnoteže, mogu se primijeniti i pri promjeni stanja sustava (procesima), ako se te promjene mogu smatrati kontinuiranim nizom ravnotežnih stanja. Klasična ili ravnotežna termodinamika razmatra upravo takve modele.

Klasična termodinamika počiva na dvije osnovne pretpostavke:

1. U materijalnom svijetu nema praznog prostora, tj. ne postoji prostor bez materije. Takav prostor se naziva kontinuum.
2. Promjene stanja materije mogu se predstaviti nizom ravnotežnih stanja.

U stvarnim slučajevima se pri izmjeni topline oblikuje polje temperature, pa sustav nije u toplinskoj ravnoteži. Za rješavanje takvih slučajeva potrebna je teorija neravnotežne termodinamike, koja do danas nije u potpunosti razvijena. Stoga se takvi slučajevi rješavaju ili kombinacijom eksperimentalnog iskustva i teorije u okviru prijelaza topline, ili numeričkim metodama, pri čemu se polazi od hipoteze da relacije ravnotežne termodinamike vrijede lokalno, tj. za proizvoljno male djeliće sustava koji je na globalnom nivou neravnotežan.

U svakom slučaju je poznavanje teorije ravnotežne termodinamike nužno, pa ćemo se najprije tome posvetiti, da bi se kasnije upoznati s metodama rješavanja prijelaza topline.

 
Građa tvari
Predodžba materije kao kontinuuma vrijedi samo na razini grubog makroskopskog promatranja koje ne prepoznaje diskretnu (zrnastu) strukturu tvari. Finića naših zapažanja ograničena je valnom dužinom svjetlosnih zraka koje se protežu u intervalu 0,36 ÷ 0,78 μm (mikrometar, 1μm = 10-6 m). O građi materije ispod tog nivoa možemo zaključiti tek posrednim putem. Na primjer, lako možemo vidjeti da miješanjem alkohola i vode nastaje otopina čiji je volumen manji od zbroja pojedinačnih volumena alkohola i vode prije miješanja. To nas upućuje na zaključak da su tvari, u navedenom primjeru alkohol i voda, sastavljeni od čestica (korpuskula – lat. = malo tijelo, čestica) između kojih postoji prazan međuprostor.
Grčki mislilac Demokrit (460-357 g. prije Krista) bio je začetnik ideje da se tvari sastoje od nedjeljivih čestica, atoma (grč. = nedjeljiv). Danas znamo da su atomi sastavljeni od jezgre koja je građena od protona i neutrona, te elektrona koji se nalaze u složenom gibanju oko jezgre (elektronski omotač). Postoji i čitav niz drugih elementarnih čestica unutar atoma.
Promjer atoma je reda veličine 10-10 m, dok je masa atoma približno 10-26 kg. Međusobnim povezivanjem atoma nastaju molekule različitih tvari, kao npr. vodika i kisika ili spojeva poput vode, ugljičnog dioksida, alkohola i itd. Stoga možemo reći da je molekula najmanja česticom neke tvari, jer se ona ne može dalje dijeliti na manje čestice istog kemijskog sastava.
Na molekularnom nivou volumen čestica materije i ukupni volumen se razlikuju. To je posebno slučaj kod materije u plinovitom agregatnom stanju kada je volumen čestica materije zanemarivo malen u odnosu na prostor u kojem se molekule gibaju.
Na makroskopskom nivou zamagljuje se diskretna struktura i materija se smatra kontinuirano raspoređena prostorom – kontinuum.