Termodynamikk, også kalt varmelære, er en grunnleggende teori om sammenhengen mellom energi, varme og arbeid.

Klassisk termodynamikk bygger på to hovedsetninger. De kan ikke bevises, men har heller ikke blitt motbevist på 160 år.

Statistisk termodynamikk bygger på forestillingen om at alle stoffer består av atomer og molekyler.

Hovedsetningene uttaler seg om hva som skjer i et system hvor det foregår en prosess. Prosessen kan være en kjemisk reaksjon, som en reaksjon mellom en syre og en base, eller en faseforandring, som is som smelter.

Reaksjon mellom en syre og en base

Illustrasjon av en prosess av Bjørn Pedersen. Begrenset gjenbruk

Vi antar at systemet befinner seg i en lukket boks, og at det i prosessen ikke overføres masse mellom systemet og omgivelsene. Systemet har et volum V, en temperatur T (i kelvin) og et trykk P.

I prosessen kan systemet utveksle energi med omgivelsene i form av arbeid (w) og varme (q). Den indre energi av systemet er Ui før prosessen starter og Us etter at prosessen er over. Energiforandringen i systemet er ΔU = Us - Ui

En enkel form for arbeid er volumarbeid: w = -PΔV hvor P er trykket omgivelsene øver på systemet og ΔV er endringen i volumet. w er positiv når omgivelsene gjør et arbeid på systemet (for da er ΔV < 0).

Varmen q er energi som utveksles mellom systemet og omgivelsene på grunn av en temperaturforskjell mellom systemet og omgivelsene. q er positiv når varmen overføres fra omgivelsene til systemet. Når en syre og en base reagerer, blir løsningen varm så energi avgis fra løsningen til omgivelsene. Da er q < 0.

1. hovedsetning, loven om energiens konstans. Energi kan ikke forsvinne, men bare gå over fra en form til en annen. I dette eksempelet er energiformene: indre energi lagret i bindingene mellom atomene i systemet, varme og arbeid: ΔU = q + w

2. hovedsetning, kan formuleres på flere måter f. eks. at det ikke er mulig å omdanne all varme fra en prosess til arbeid. Overføring av varme skjer alltid fra et sted med høyere temperatur til et sted med lavere temperatur. Energien er konstant, men fordelingen av energi endres på en irreversibel måte.

I mer fruktbare formuleringerav den 2. hovedsetningen, innføres en ny tilstandsfunksjon som kalles entropi med symbolet S. Entropien til et stoff er bestemt eksperimentelt for mange stoffer i et kalorimeter og er gitt i tabeller f.eks er entropien for vann ved 25 oC 69,91 JK-1mol-1. Entropien øker med temperaturen for alle stoffer. Entropien er størst for en gass, noe mindre for en væske og minst for et fast stoff. For en perfekt krystall er entropien lik 0 ved absolutt nullpunkt. Det siste kalles 3. hovedsetning.

Entropien for et stoff kan også beregnes fra ligningen S = klnW. Her er  k – boltzmann-konstanten, ln naturlig logaritme og W antall mikrotilstander med samme energi. For en perfekt krystall er W = 1 og da er S = 0.

En iskrystall er ikke perfekt da hvert vannmolekyl kan innta 6 posisjoner, men sjansen for at en posisjon er ledig er (½)2. Dermed er W = [6(½)2]NA for ett mol is. Her er NAavogadrokonstanten. Følgelig er:

S = klnW = kln{[6(½)2]NA} = Rln(3/2) = 3,4 JK-1mol-1 (da k = R/NA og R er gasskonstant)

Den verdien passer akkurat med den verdien som er bestemt eksperimentelt.

Det er innført to funksjoner som er hensiktsmessig i bruk: helmholtzenergi H og gibbsenergi G:

H = U + PV og G = H - TS se spontan prosess.

Den klassiske termodynamikk ble grunnlagt av av Nicolas Léonard Sadi Carnot i 1820, men fant sin form først i midten av attenhundretallet med James Prescott Joule,  William Thomson Kelvin og Rudolph Julius Emanuel Clausius og deretter Hermann Helmholtz, og Josiah Willard Gibbs. I den delen av termodynamikken behandles egentlig bare reversible prosesser, dvs. prosesser hvor et system etter en rekke forandringer kan komme tilbake til utgangstilstanden uten at dette har ført til varige forandringer i systemets omgivelser. Ved slike prosesser er entropien uforandret. De er ideelle prosesser som ifølge 2. hovedsetning ikke lar seg realisere. Virkelige prosesser er alltid irreversible og behandles i den klassiske termodynamikk bare i form av ulikheter.

James Clerk MaxwellLudwig Boltzmann la grunnlaget for statistisk termodynamikk ved å innføre statistiske betraktninger og begrunne termodynamikken ved å anta at stoffer består av atomer og molekyler.

I moderne termodynamikk inngår studiet av irreversible prosesser og av systemer som ikke er i termodynamisk likevekt. Denne delen av termodynamikken og den underliggende statistiske fysikk er for en stor del grunnlagt ved arbeider av norsk-amerikaneren Lars Onsager.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.