Por muito tempo, físicos e representantes de outras ciências tinham uma forma de descrever o que observavam no decorrer de seus experimentos. A f alta de consenso e a presença de um grande número de termos tirados "do nada" gerou confusão e mal-entendidos entre os colegas. Com o tempo, cada ramo da física adquiriu suas definições e unidades de medida estabelecidas. Foi assim que surgiram os parâmetros termodinâmicos, explicando a maioria das mudanças macroscópicas no sistema.
Definição
Parâmetros de estado, ou parâmetros termodinâmicos, são uma série de grandezas físicas que juntas e cada uma separadamente podem caracterizar o sistema observado. Estes incluem conceitos como:
- temperatura e pressão;
- concentração, indução magnética;
- entropia;
- entalpia;
- Energias de Gibbs e Helmholtz e muitas outras.
Selecione parâmetros intensivos e extensivos. Extensos são aqueles que dependem diretamente da massa do sistema termodinâmico, eintensivo - que são determinados por outros critérios. Nem todos os parâmetros são igualmente independentes, portanto, para calcular o estado de equilíbrio do sistema, é necessário determinar vários parâmetros de uma só vez.
Além disso, existem algumas divergências terminológicas entre os físicos. A mesma característica física pode ser chamada por diferentes autores de processo, ou coordenada, ou quantidade, ou parâmetro, ou mesmo apenas uma propriedade. Tudo depende do conteúdo em que o cientista o utiliza. Mas, em alguns casos, existem recomendações padronizadas que os redatores de documentos, livros didáticos ou pedidos devem seguir.
Classificação
Existem várias classificações de parâmetros termodinâmicos. Assim, com base no primeiro parágrafo, já se sabe que todas as quantidades podem ser divididas em:
- extensivo (aditivo) - tais substâncias obedecem à lei da adição, ou seja, seu valor depende do número de ingredientes;
- intenso - não dependem de quanto da substância foi retirada para a reação, pois estão alinhados durante a interação.
Com base nas condições em que as substâncias que compõem o sistema estão localizadas, as quantidades podem ser divididas entre aquelas que descrevem reações de fase e reações químicas. Além disso, as propriedades dos reagentes devem ser levadas em consideração. Podem ser:
- termomecânica;
- termofísico;
- termoquímico.
Além disso, qualquer sistema termodinâmico desempenha uma determinada função, então os parâmetros podemcaracterizam o trabalho ou calor produzido como resultado da reação e também permitem calcular a energia necessária para transferir a massa das partículas.
Variáveis de Estado
O estado de qualquer sistema, incluindo termodinâmico, pode ser determinado por uma combinação de suas propriedades ou características. Todas as variáveis que são completamente determinadas apenas em um determinado momento e não dependem de como exatamente o sistema chegou a esse estado são chamadas de parâmetros de estado termodinâmicos (variáveis) ou funções de estado.
O sistema é considerado estacionário se as funções das variáveis não mudam ao longo do tempo. Uma versão do estado estacionário é o equilíbrio termodinâmico. Qualquer, mesmo a menor mudança no sistema, já é um processo e pode conter de um a vários parâmetros de estado termodinâmico variável. A sequência na qual os estados do sistema transitam continuamente entre si é chamada de "caminho do processo".
Infelizmente, ainda há confusão com os termos, uma vez que uma mesma variável pode ser independente e o resultado da adição de várias funções do sistema. Portanto, termos como "função de estado", "parâmetro de estado", "variável de estado" podem ser considerados como sinônimos.
Temperatura
Um dos parâmetros independentes do estado de um sistema termodinâmico é a temperatura. É um valor que caracteriza a quantidade de energia cinética por unidade de partículas emsistema termodinâmico em equilíbrio.
Se abordarmos a definição do conceito do ponto de vista da termodinâmica, então a temperatura é um valor inversamente proporcional à variação da entropia após a adição de calor (energia) ao sistema. Quando o sistema está em equilíbrio, o valor da temperatura é o mesmo para todos os seus "participantes". Se houver uma diferença de temperatura, então a energia é liberada por um corpo mais quente e absorvida por um mais frio.
Existem sistemas termodinâmicos em que, quando se adiciona energia, a desordem (entropia) não aumenta, mas diminui. Além disso, se tal sistema interage com um corpo cuja temperatura é maior que a sua, ele cederá sua energia cinética para esse corpo, e não vice-versa (com base nas leis da termodinâmica).
Pressão
Pressão é uma grandeza que caracteriza a força que atua sobre um corpo, perpendicular à sua superfície. Para calcular esse parâmetro, é necessário dividir toda a quantidade de força pela área do objeto. As unidades desta força serão pascais.
No caso dos parâmetros termodinâmicos, o gás ocupa todo o volume disponível para ele e, além disso, as moléculas que o compõem se movem constantemente de forma aleatória e colidem entre si e com o recipiente em que estão localizadas. São esses impactos que determinam a pressão da substância nas paredes do vaso ou no corpo que é colocado no gás. A força se propaga igualmente em todas as direções precisamente por causa da imprevisibilidademovimentos moleculares. Para aumentar a pressão, você deve aumentar a temperatura do sistema e vice-versa.
Energia interna
Os principais parâmetros termodinâmicos que dependem da massa do sistema incluem a energia interna. Consiste na energia cinética devido ao movimento das moléculas de uma substância, bem como na energia potencial que aparece quando as moléculas interagem entre si.
Este parâmetro é inequívoco. Ou seja, o valor da energia interna é constante sempre que o sistema está no estado desejado, independente de como ele (o estado) foi alcançado.
É impossível alterar a energia interna. É a soma do calor emitido pelo sistema e o trabalho que ele produz. Para alguns processos, outros parâmetros são levados em consideração, como temperatura, entropia, pressão, potencial e número de moléculas.
Entropia
A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema isolado não diminui. Outra formulação postula que a energia nunca passa de um corpo com temperatura mais baixa para um mais quente. Isso, por sua vez, nega a possibilidade de criar uma máquina de movimento perpétuo, pois é impossível transferir toda a energia disponível para o corpo em trabalho.
O próprio conceito de "entropia" foi introduzido em uso em meados do século XIX. Então foi percebido como uma mudança na quantidade de calor para a temperatura do sistema. Mas esta definição só se aplica aprocessos que estão em constante equilíbrio. Disso podemos tirar a seguinte conclusão: se a temperatura dos corpos que compõem o sistema tende a zero, então a entropia também será igual a zero.
Entropia como parâmetro termodinâmico do estado gasoso é usado como uma indicação da medida de aleatoriedade, aleatoriedade do movimento das partículas. É usado para determinar a distribuição de moléculas em uma determinada área e vaso, ou para calcular a força eletromagnética de interação entre os íons de uma substância.
Entalpia
Entalpia é a energia que pode ser convertida em calor (ou trabalho) a pressão constante. Este é o potencial de um sistema que está em equilíbrio se o pesquisador conhece o nível de entropia, o número de moléculas e a pressão.
Se for indicado o parâmetro termodinâmico de um gás ideal, em vez de entalpia, usa-se a expressão "energia do sistema estendido". Para facilitar a explicação desse valor para nós mesmos, podemos imaginar um recipiente cheio de gás, que é comprimido uniformemente por um pistão (por exemplo, um motor de combustão interna). Nesse caso, a entalpia será igual não apenas à energia interna da substância, mas também ao trabalho que deve ser feito para levar o sistema ao estado desejado. A alteração deste parâmetro depende apenas do estado inicial e final do sistema, e a forma como ele será recebido não importa.
Energia de Gibbs
Parâmetros e processos termodinâmicos, em sua maioria, estão associados ao potencial energético das substâncias que compõem o sistema. Assim, a energia de Gibbs é o equivalente à energia química total do sistema. Mostra quais mudanças ocorrerão no curso das reações químicas e se as substâncias irão interagir.
Mudar a quantidade de energia e temperatura do sistema durante o curso da reação afeta conceitos como entalpia e entropia. A diferença entre esses dois parâmetros será chamada de energia de Gibbs ou potencial isobárico-isotérmico.
O valor mínimo desta energia é observado se o sistema estiver em equilíbrio, e sua pressão, temperatura e quantidade de matéria permanecerem in alteradas.
Energia de Helmholtz
Energia de Helmholtz (de acordo com outras fontes - apenas energia livre) é a quantidade potencial de energia que será perdida pelo sistema ao interagir com corpos que não estão incluídos nele.
O conceito de energia livre de Helmholtz é frequentemente usado para determinar qual o trabalho máximo que um sistema pode realizar, ou seja, quanto calor é liberado quando as substâncias mudam de um estado para outro.
Se o sistema está em estado de equilíbrio termodinâmico (ou seja, não realiza nenhum trabalho), então o nível de energia livre está no mínimo. Isso significa que alterar outros parâmetros, como temperatura,pressão, o número de partículas também não ocorre.
