Termodynamikk er den delen av fysikken som tar for seg sammenhengene mellom energi, varme og arbeid.

Klassisk termodynamikk bygger på to hovedsetninger. Disse 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 sier noe 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.

1. hovedsetning kalles også loven om energiens konstans: Energi kan ikke forsvinne, men bare gå over fra en form til en annen.

2. hovedsetning kan formuleres på flere måter, blant annet: Overføring av varme skjer alltid fra et sted med høyere temperatur til et sted med lavere temperatur.

I noen sammenhenger snakker man også om en 3. hovedsetning, som er kjent som Nernsts teorem. Det sier at entropien for et krystallinsk stoff er lik 0 ved det absolutte nullpunkt.

Reaksjon mellom en syre og en base

Illustrasjon av en prosess av Bjørn Pedersen. Begrenset gjenbruk

Anta 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 energien 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, der 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 derimot løsningen varm så energi avgis fra løsningen til omgivelsene. Da er q < 0.

1. hovedsetning, loven om energiens konstans, betyr i dette eksempelet at summen av indre energi lagret i bindingene mellom atomene i systemet er lik summen av varme og arbeid: ΔU = q + w

2. hovedsetning betyr i dette tilfellet 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.

En ny tilstandsfunksjon som kalles entropi kan gi mer fruktbare formuleringer av den 2. hovedsetningen. Entropien har symbolet S.

Entropien til et stoff er bestemt eksperimentelt for mange stoffer i et kalorimeter og er gitt i tabeller; for eksempel er entropien for vann ved 25 °C lik 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 settes entropien lik 0 ved det absolutte nullpunkt. (Dette kalles i noen sammenhenger for termodynamikkens tredje hovedsetning.)

Entropien for et stoff kan også beregnes fra ligningen S = k·lnW. Her er k lik boltzmann-konstanten, ln er den naturlige logaritme og W er 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 lik [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.

To funksjoner som er hensiktsmessig i bruk er helmholtzenergien H og gibbsenergien G:

H = U + PV og G = H – TS

Se også spontan prosess.

Den klassiske termodynamikken 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, det vil si prosesser der 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 termodynamikken bare i form av ulikheter.

James Clerk Maxwell, Ludwig 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 fysikken 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.