termodinamika

termodinamika (termo- + dinamika), grana fizike koja proučava izmjenu topline i mehaničkoga rada između sustava i okoline te druge zakonitosti pretvorbe i prijenosa energije, definira makroskopska svojstva tvari i utvrđuje matematičke relacije koje ta svojstva povezuju u zatvorenim sustavima u ravnotežnom stanju. Termodinamičke relacije, koje vrijede za stanje ravnoteže, mogu se primijeniti i pri promjeni stanja sustava (u termodinamičkim procesima), ako se promjene mogu smatrati neprekidnim nizom ravnotežnih stanja.

Pretvaranje mehaničke energije u toplinu prvi je uočio i opisao Rumford u djelu Eksperimentalno istraživanje izvora topline koja je potaknuta trenjem (1798). Osnivačem moderne termodinamike smatra se Nicolas Léonard Sadi Carnot, koji je u svojem eseju Razmišljanja o pokretačkoj moći vatre (Réflexions sur la puissance motrice du feu, 1824) dao načela rada idealnoga toplinskoga stroja. Émile Clapeyron prvi je Carnotov kružni proces prikazao kao zatvorenu krivulju (1834). osnove termodinamike postavio je James Prescott Joule u nizu pokusa (1840–43), koji su nedvojbeno dokazali da se prijelaz rada u toplinu odvija uvijek po istim kvantitativnim zakonima. William Thomson objavio je rad o dinamičkoj teoriji topline (1851), a Rudolf Julius Emanuel Clausius znatno je pridonio matematičkomu razvoju termodinamike te otkrio entropiju (1865).

Zakoni termodinamike

Nulti zakon termodinamike definira temperaturu kao funkciju stanja sustava. Sustav je u ravnoteži ako se njegova svojstva tijekom vremena ne mijenjaju. Neravnoteža uzrokuje pokretanje procesa. Ako su dva sustava u ravnoteži s trećim, onda su i međusobno u ravnoteži. Temperatura sustava koji nije u ravnoteži nije određena; na temelju prvoga i drugoga zakona termodinamike može se odrediti je li temperatura viša ili niža, ali joj se vrijednost može odrediti samo usporedbom u ravnotežnom stanju. Taj zakon izriče i uvjet ravnoteže dvaju sustava: u ravnoteži njihove su temperature jednake bez obzira na ukupnu količinu unutarnje energije (topline) u svakome od njih.

Prvi zakon termodinamike izveo je Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1847) na temelju Jouleovih i Carnotovih radova. Prema tom je zakonu zbroj količina topline i mehaničkoga rada u zatvorenom sustavu stalan:

dQ = dU + pdV,

količina topline dQ predana nekomu sustavu troši se samo na povećanje njegove unutarnje energije U (zagrijavanje) i na svladavanje vanjskoga tlaka p, a tlak se protivi povećanju volumena sustava V. Prvi zakon termodinamike može se poopćiti u zakon očuvanja energije, prema kojem je u svakom zatvorenom sustavu zbroj svih oblika energije, uključujući i materiju, stalan.

Drugi zakon termodinamike upućuje na smjer u kojem se odvija pretvorba toplinske energije u mehaničku. Do toga je zakona došao već Carnot 1824. On je proučavao idealne uvjete prelaska topline u mehanički rad i zaključio da su za prelazak topline u mehanički rad potrebna dva spremnika topline na različitoj temperaturi; prelaskom topline iz toplijega spremnika u hladniji samo se dio topline pretvara u mehanički rad, a ostatak topline prelazi u spremnik niže temperature (degradacija). Prema Carnotu, maksimalna djelotvornost η idealnoga toplinskoga stroja, koji kružnim procesom pretvara toplinu u rad, iznosi

η = Q1 − Q2/Q1 = T1 − T2/T1,

gdje su T1 i T2 temperature toplijega i hladnijega spremnika; Q1 je toplina koja pri prelasku stoji na raspolaganju, a Q2 dio topline koji se degradira. Bit je drugoga zakona termodinamike da se pri prelasku topline u mehanički rad dio topline uvijek degradira. Matematička formulacija drugoga zakona termodinamike iskazuje se s pomoću entropije. Za sustav temperature T, u kojem se nalazi ukupna količina topline Q, entropija S definira se kao S = Q/T. Iz toga slijedi da je entropija sustava to veća što mu je, uz danu količinu topline u sustavu, temperatura niža. Kako pri svakom prelasku topline u mehanički rad dio topline prelazi u spremnik niže temperature, ukupna se entropija sustava povećava. Poopćenjem drugoga zakona može se reći da se entropija zatvorenoga sustava povećava pri svakom procesu.

Prva dva zakona termodinamike mogu se formulirati i kao nemogućnost perpetuuma mobile prve i druge vrste: perpetuum mobile 1. vrste bio bi stroj koji bi radio bez ulaganja energije, a perpetuum mobile 2. vrste bio bi stroj koji bi toplinu iz jednoga spremnika izravno i bez posrednika pretvarao u rad. Neostvarivost perpetuuma mobile obiju vrsta eksperimentalni je dokaz za prvi i drugi zakon termodinamike.

Treći zakon termodinamike postavka je prema kojoj je entropija sustava pri apsolutnoj nuli temperature jednaka nuli, ako se sustav nalazi u svojem najnižem energetskom stanju. Taj zakon, što ga je formulirao Walther Hermann Nernst, nije strogo termodinamičko načelo, jer pretpostavlja poznavanje detaljne strukture sustava, osobito spektra energijskih stanja. Načelo se npr. primjenjuje u fizikalnoj kemiji pri računanju konstantâ ravnoteža sustava dobivenih iz čisto termičkih mjerenja, a uveden je kao ishodište ljestvice za određivanje entropije. Tek razvojem statističke fizike i definiranjem entropije kao negativnoga logaritma vjerojatnosti stanja načelo postaje nužno.

Mnoge pojave, pa i sami termodinamički zakoni, koji su izvedeni na temelju empirijskih podataka, objašnjeni su tek uporabom metoda statističke fizike (→ boltzmann, ludwig). Odstupanje rezultata klasične statističke fizike od eksperimentalnih rezultata dovelo je do razvoja kvantne mehanike.

termodinamika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 16.10.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=60967>.