Termodynamika

Tyto termodynamika je odvětví fyziky , která se zabývá závislosti fyzikálních vlastností v těle při teplotě , se vyskytují jevy, ve kterých tepelné výměny , a přeměna energie mezi různými formami.

Termodynamiku lze přiblížit ze dvou různých a doplňkových přístupů: fenomenologického a statistického .

Fenomenologické nebo klasické termodynamiky bylo předmětem četných vývoj od XVII -tého  století. Je založen na makroskopických úvahách k vytvoření sníženého počtu principů a zákonů, vyplývajících z experimentálních pozorování.

Statistická termodynamika, které se vyvinuly z poloviny XIX th  století, spoléhá na své úvahy o molekulární a na výpočet pravděpodobnosti aplikovat na velké množství částic. Snaží se analyzovat strukturu hmoty a navázat souvislost mezi jejími vlastnostmi a principy fenomenologické termodynamiky.

Studium ideálních plynů a studií tepelných strojů , které si vyměňují energii s vnějškem ve formě práce a tepla , zaujímají v termodynamice ústřední místo: umožnily vývoj velkého počtu strojů a průmyslových metod a sloužily jako základ pro důležité objevy v chemii, astrofyzice a mnoha dalších vědních oborech.

Dějiny

Teplou i studenou pojmy vždy existovaly, ale to je opravdu jen z XVIII th  století, která konceptu tepla do vědy. V roce 1780 tak Pierre Simon de Laplace a Antoine Laurent de Lavoisier společně napsali: „Ať už je příčina, která vyvolává pocit tepla, jakákoli, je náchylná ke zvyšování a snižování a z tohoto hlediska může být předmětem výpočtu. Nezdá se, že by starověcí měli myšlenku měřit její vztahy, a až v minulém století si člověk představoval prostředky, jak toho dosáhnout. " . Zpočátku se zaměřil na výrobu tepla a teplotních pojmy, fenomenologické termodynamiky se zabývá od konce XVIII -tého  století definovat různé formy energie tak, aby zahrnoval všechny transfery mezi jednotlivými formami a vysvětlit dopad těchto převodů na fyzikálních vlastností hmoty. Hlavně na základě experimentů bylo doplněno z XIX th  století z příspěvků statistické fyziky , které spoléhají na atomové teorie hmoty , se kvantová fyzika a výkonné matematické nástroje, aby to solidní teoretický základ, který by umožnil zejména porozumět pojmu nevratnost určitých transformací nebo dokonce chování hmoty za extrémních podmínek tlaku nebo teploty.

Zdánlivá jednoduchost základních pojmů termodynamiky, nesmírnost jejích oblastí použití a hloubka teoretických studií, které z ní vyplývají, fascinovaly mnoho vědců a zejména vedly Alberta Einsteina k prohlášení:

„Teorie je o to působivější, když jsou její základy jednoduché, souvisí s různými poli a její pole použití je široké. Proto na mě klasická termodynamika působí tak silným dojmem. Je jediná fyzikální teorie univerzálního rozsahu, kterou jsem přesvědčen, že pokud budou platit jeho základní pojmy, nikdy mu nebude vyčítáno. “

Ideální plyny: od fenomenologie ke statistice

Studium ideálních plynů a jejich chování při změně jejich teploty, tlaku nebo objemu je jedním z hlavních historických základů termodynamiky. Jeho vývoj poskytuje ilustraci experimentálních metod vyvinutých pro tuto vědu, stejně jako spojení mezi fenomenologickou a statistickou termodynamikou.

Objevy a fenomenologické metody

V 1662, irský fyzik Robert Boyle experimentálně ukazuje konstantní teplota udržuje plyn splňuje následující vztah mezi jeho tlaku a jeho objem  : . Toto je Boyle-Mariotteův zákon , který stanoví výsledky izotermických transformací plynového systému. P{\ displaystyle P}PROTI{\ displaystyle V}PPROTI=konstantní{\ displaystyle PV = {\ text {constant}}}

V roce 1787, francouzský fyzik Jacques Charles ukazuje, že plyn při konstantním tlaku splňuje následující vztah mezi objemem a teploty  : . Toto je Charlesův zákon , který stanoví výsledky izobarických transformací plynového systému. PROTI{\ displaystyle V}T{\ displaystyle T}PROTI/T=konstantní{\ displaystyle V / T = {\ text {constant}}}

V roce 1802 francouzské fyzik Joseph Louis Gay-Lussac ukazuje, že konstantní objem plynu splňuje následující vztah mezi jeho tlaku a teploty  : . Toto je zákon Gay-Lussaca , který stanoví výsledky izochorických transformací plynového systému. P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}P/T=konstantní{\ displaystyle P / T = {\ text {constant}}}

V roce 1811 italský fyzik Amedeo Avogadro prokázal, že stejné objemy různých ideálních plynů při stejných teplotních a tlakových podmínkách obsahují stejný počet molekul . Toto je Avogadrův zákon .

A v roce 1834 francouzský fyzik Emile Clapeyron vyslovil zákon ideálních plynů , který syntetizuje čtyři předchozí zákony a spojuje mezi nimi čtyři stavové proměnné, kterými jsou tlak , objem , teplota a množství hmoty (počet molů ) termodynamický systém složený z ideálního plynu: P{\ displaystyle P}PROTI{\ displaystyle V}T{\ displaystyle T} ne{\ displaystyle n}

PPROTI=neRT{\ displaystyle PV = nRT}

kde je konstanta ideálního plynu , která se rovná 8,314 462 1  J / (mol · K) . R{\ displaystyle R}

Všechny experimenty, které vedly k tomuto výsledku, používají stejnou metodu: fyzik zmrazí dvě proměnné, aby studoval vazby mezi ostatními dvěma. Boyle tak ztuhl a studoval vazby mezi a , Charles a ke studiu a , Gay-Lussac a ke studiu a , a Avogadro a ke studiu a . ne{\ displaystyle n}T{\ displaystyle T}P{\ displaystyle P}PROTI{\ displaystyle V}ne{\ displaystyle n}P{\ displaystyle P}PROTI{\ displaystyle V}T{\ displaystyle T}ne{\ displaystyle n}PROTI{\ displaystyle V}P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}PROTI{\ displaystyle V}ne{\ displaystyle n}

Atomová teorie a statistická fyzika

Souběžně s vývojem těchto fenomenologických studií atomová teorie hmoty dosáhla pozoruhodného pokroku, a to zejména v popudu Britů Johna Daltona , který již v roce 1803 popisuje přesnou teorii atomové struktury hmoty vysvětluje chemické reakce interakcí mezi atomy a vytváří základ pro periodickou tabulku prvků a skotský Robert Brown, který popsal Brownův pohyb v roce 1827.

Termodynamici používají své výsledky a odpovídající metody k vytvoření statistického přístupu k disciplíně: německý fyzik Rudolf Clausius v roce 1850 vynalezl pojem „entropie“, definoval odpovídající stavovou proměnnou jako kvantitu statistického původu a uvedl, že se stává moderní formulací druhého principu termodynamiky. O několik let později založili skotský James Clerk Maxwell a Rakušan Ludwig Boltzmann statistiku Maxwell-Boltzmann, která určuje distribuci částic mezi různými energetickými hladinami. Američan Willard Gibbs byl v 70. letech 19. století aktivní jak v klasické termodynamice, tak ve svém statistickém přístupu: definoval volnou entalpii , chemický potenciál , pojem rozptylu a vzorec pro jeho výpočet, stejně jako termín „statistická mechanika“ “S odpovídajícími statistickými pojmy ( kanonické , mikrokanonické a velkokanonické sady ), které se od té doby stále používají.

Jejich práce vede zejména ke kinetické teorii plynů , která podporuje výsledky fenomenologického přístupu vysvětlením podstaty a původu dvou základních stavových proměnných: teploty, což je míra statistické kinetické energie molekul míchaných Brownovým pohybem, a tlak, který je vytvářen statistickými šoky molekul na stěnu nádoby obsahující plyn. Tato teorie dále vysvětluje, proč jsou vzorce stanovené fenomenologickou termodynamikou použitelné pouze pro relativně nízké tlaky.

Tato komplementarita mezi makroskopickými a mikroskopickými přístupy je důležitou charakteristikou termodynamiky, která není jen vědou o energetických transformacích, ale také o změnách rozsahu.

Tepelné stroje: porozumění a využití vlastností tepla

Pojmy tepla a teploty jsou v termodynamice zásadní. Mnoho pokroků v této vědě je založeno na studiu jevů, které závisí na teplotě a jejích změnách.

Teplo a teplota

Každý má intuitivní znalosti o pojmu teplota a teplo: tělo je horké nebo studené, podle toho, zda je jeho teplota vyšší nebo nižší. Ale přesná vědecká definice těchto dvou pojmů nebylo možné stanovit až do poloviny XIX th  století.

Jedním z velkých úspěchů klasické termodynamiky je definování absolutní teploty tělesa, což vedlo k vytvoření Kelvinovy stupnice . To dává teoretickou minimální teplotu platný pro všechny subjekty: nula Kelvina nebo -273.15  ° C . Jedná se o absolutní nulu, jejíž koncept se poprvé objevil v roce 1702 s francouzským fyzikem Guillaume Amontonsem a který byl formován v roce 1848 Williamem Thomsonem , známějším pod jménem lord Kelvin.

Horko bylo obtížnější vědecky definovat. Stará teorie, kterou obhajoval zejména Lavoisier , připisovala speciální tekutině (neviditelné, nepochopitelné nebo téměř) vlastnosti tepla, kalorické , které cirkuluje z jednoho těla do druhého. Čím je tělo teplejší, tím více kalorií obsahuje. Tato teorie je nepravdivá v tom smyslu, že kalorický nelze identifikovat se zachovanou fyzikální veličinou. Statistická termodynamika umožnila definovat teplo jako přenos neuspořádané energie ze systému do vnějšího prostředí: tepelná energie systému odpovídá kinetické energii molekul pohybujících se podle Brownova pohybu a náhodně podstupujících šoky. O přenesené energii se říká, že je neuspořádaná na mikroskopické úrovni, na rozdíl od přenosu uspořádané energie na makroskopické úrovni dosažené prací .

Tepelné stroje

Klasická termodynamika měla mnoho úspěchů jako věda o tepelných strojích nebo věda o hnací síle ohně .

Teplo může být produkováno třením mezi makroskopickými tělesy: předkové techniky výroby ohně třením dvou kusů dřeva nebo rázem mezi dvěma kameny ukazují, že tato vlastnost je lidstvu známa již velmi dlouho.

Naopak, teplo může uvést do pohybu makroskopická tělesa. Systémy zaměřené na vytváření a využívání tohoto pohybu se nazývají požární stroje nebo tepelné stroje. Tyto stroje zůstávají v pohybu, pokud existuje teplotní rozdíl mezi horkou a studenou částí.

Sadi Carnot zahájil moderní studie tepelných strojů v zakladatelské práci: Úvahy o pohonné síle ohně a o strojích vhodných pro vývoj této síly ( 1824 ). Carnotův cyklus , u této práce , zůstává hlavní příklad teoretické studie těchto strojů, které přeměňují tepelnou energii do práce podle následujícího cyklu čtyř reverzibilních kroků. Sadi Carnot vypočítává teoretický špičkový výkon tepelných strojů, který lze pomocí výkonu srovnávat a popisuje principy používané u mnoha strojů: tepelné motory , tepelná čerpadla , klimatizace a chladicí stroje nebo parní a plynové turbíny . Tato práce také nastínila pojem nevratnosti , který je základem druhého principu termodynamiky.

Od tepla k pohybu

Studium tepelných strojů je základem mnoha hlavních aplikací, jako jsou tepelné motory nebo parní turbíny, a přispělo k lepšímu pochopení určitých přírodních jevů, zejména meteorologických jevů.

Tato část představuje několik příkladů, kdy tepelná energie (nebo palebná síla) uvádí hmotu do pohybu.

• Hořící svíčka uvádí vzduch kolem sebe do pohybu. Tah vzhůru je vytvořen nad plamenem . Je neustále obnovována proudem studeného vzduchu přicházejícího zespodu. Je to konvekční proud .
• Voda v hrnci na ohni se začne pohybovat jako vzduch nad svíčkou a jako všechny tekutiny nad dostatečně horkými povrchy. Pokud si nasadíte víko, nastane nový fenomén: pára zvedne víko, které poté znovu a znovu klesá, dokud se oheň nebo voda nevyčerpá, a tedy i výroba páry. Vynález z parní stroje by mohl být spojen s tímto jednoduchým pozorováním. Pokud vyměníte kryt za píst ve válci, získáte pístový systém, který může být při dlouhém zdvihu tlačen párou nebo jiným plynem a který je základem motoru. Parní motory a tepelné motory nejsou vždy postaveny na principu pístu a válce, ale ostatní řešení se příliš neliší. Můžeme tedy uvažovat, že zkušenost s víkem pánve je u zrodu vynálezů všech těchto motorů.
• Muži věděli o parní turbíně dlouho před prací Sadi Carnota . Jedním z prvních úspěchů byla eolipyle, která se skládala z kovové koule rotující na ose. Voda obsažená v kouli se zahřívá zespodu: produkuje dva tangenciální a protilehlé proudy páry, které uvedou míč do pohybu. Tento systém byl až do moderní doby stěží vylepšen. Dnešní proudové motory ( plynové turbíny ) fungují z velké části na stejném principu jako tento předchůdce turbíny .
• Hnací síla ohně byla značně vyvinuta pro výrobu zbraní. V střelné zbraně, projektil (kulka, plášť nebo jiné) se zasune do hlavně velmi rychlou expanzi velmi horkého plynu produkovaného spalováním z prášku nebo jiné výbušniny . Hlaveň tvoří válec, ve kterém cirkuluje projektil, který hraje roli pístu.
• Atmosféra Země se uvádí do pohybu teplem Slunce  : rozdíly teplot na zemském povrchu a v atmosféře vytvářejí tlakové rozdíly, které generují vítr . Síla větru je tedy také formou síly ohně.

  • Aeolipyle of Heron Alexandrie  : předek parních turbín.

  • Typický tepelný stroj: teplo přechází z horkého do studeného a vzniká práce.

  • Princip střelné zbraně: výbuch způsobený střelbou prášku rychle hodí kulku do hlavně.

  • Mořský vánek, vytvořený rozdílem teplot vzduchu, země a moře, se obrací mezi dnem a nocí.

  Typický termodynamický systém

  Typický termodynamický systém je podmnožinou vesmíru skládá z velkého množství částic. Pro studium tohoto systému se termodynamika zajímá o celkové vlastnosti, nikoli o individuální chování každé částice nebo podmnožiny částic. Je proto nutné vytvářet a uvažovat o makroskopických veličinách, jako je teplota , tlak nebo entropie , díky nimž je makroskopický popis hmoty koherentní .

  Základní charakteristiky termodynamického systému jsou definovány takto:

  • systém je makroskopický: obsahuje velmi velké množství částic (obvykle číslo alespoň blízké číslu Avogadro );NENA{\ displaystyle N _ {\ text {A}}}
  • systém je čistý nebo jde o směs podle toho, zda se skládá ze stejných částic nebo ne;
  • systém je homogenní nebo heterogenní podle toho, zda sestává z jedné fáze nebo ne.

  Systém je dále definován svými vztahy s prostředím a může to být například:

  • izolovaný, pokud nedochází k přenosu s prostředím;
  • uzavřeno, pokud nedochází k výměně hmoty s prostředím;
  • otevřený, pokud není izolovaný ani uzavřený.

  Obecně studujeme uzavřené homogenní systémy, abychom se pokusili zobecnit výsledky na složitější systémy.

  Velmi obecná definice termodynamického systému umožňuje navrhovat a studovat je všech velikostí: takový systém může skutečně sestávat z několika kubických centimetrů plynu nebo několika gramů pevné látky, ale může se rozšířit i do celého vesmíru. To je to, co dovoleno Clausiovou střed XIX th  století říci, že: „Energie vesmíru je konstantní a entropie vesmíru inklinuje k maximu.“

  Charakterizace termodynamického systému

  Zastoupení

  Když člověk určí proměnné umožňující charakterizovat systém, vytvoří „reprezentaci systému“.

  Rozptyl

  Rozptyl systému je definována jako maximální počet intenzivních nezávislých proměnných, které experimentátor může stanovit bez porušení rovnováhy systému. Lze jej vypočítat podle Gibbsova pravidla .

  Například rozptyl ideálního plynu je 2: experimentátor si může libovolně zvolit hodnoty tlaku a teploty.

  Intenzivní a rozsáhlé proměnné

  Tyto stavové proměnné jsou proměnné, které definují systém, který jednoduše nastavit hodnotu rekonstruovat přesně stejný systém. Mezi těmito fyzikálními veličinami se rozlišují rozsáhlé a intenzivní proměnné .

  Stavová proměnná je rozsáhlá, když její hodnota pro celý systém je součtem jejích hodnot pro každou z jejích částí. Velké množství je úměrné množství materiálu v systému. Také říkáme, že extenzivní proměnná je homogenní proměnná stupně 1 vzhledem k množství hmoty.

  Hlavní rozsáhlé proměnné používané v termodynamice jsou: objem (zaznamenaný a měřený v metrech krychlových , symbol m 3 ), hmotnost ( , v kilogramech , kg), množství hmoty ( v molech , mol) nebo počet částic daný druh (označený , bezrozměrný), vnitřní energie ( , v joulech , J) a entropie ( , v joulech na kelvin , J / K) nebo entalpie ( , v joulech, J). PROTI{\ displaystyle V}m{\ displaystyle m}ne{\ displaystyle n}NE{\ displaystyle N}U{\ displaystyle U}S{\ displaystyle S}H{\ displaystyle H}

  Stavová proměnná je intenzivní, když v homogenním systému je jeho hodnota stejná pro celý systém a pro každou z jeho částí, bez ohledu na množství materiálu v systému. Také říkáme, že intenzivní proměnná je homogenní proměnná stupně 0 vzhledem k množství hmoty.

  Hlavní intenzivní proměnné používané v termodynamice jsou: tlak ( měřeno v pascalech , symbol Pa), absolutní teplota ( , v kelvinech , K), viskozita (měřeno v pascalech sekundy , Pa s) nebo dokonce hmotnostní objem ( , v kilogramech na metr krychlový, kg / m 3 ) a energie na jednotku objemu nebo hmotnosti (v joulech na metr krychlový nebo na kilogram). P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}ρ{\ displaystyle \ rho}

  Rovnováha a transformace

  Systém je v termodynamické rovnováze, pokud je současně v tepelné , mechanické a chemické rovnováze .

  Cílem termodynamiky je charakterizovat transformaci stavu systému mezi počátečním a konečným časem, což odpovídá dvěma rovnovážným stavům.

  Tato transformace může mít různé vlastnosti, včetně:

  • isobarický (při stálém tlaku v systému);
  • izochorický (při stálém objemu);
  • izotermický (při konstantní teplotě);
  • adiabatický (bez výměny tepla s vnějším povrchem).

  Může to být také cyklické nebo ne, reverzibilní nebo ne, konečně to může být náhlé nebo téměř statické .

  Kvazi-statické transformace jsou v termodynamice zásadní: přechod z počátečního stavu do konečného stavu se provádí dostatečně pomalu, aby bylo možné stavové proměnné systému považovat za průběžně se vyvíjející a v systému zůstávající homogenní během zpracování. Systém se poté chová tak, že prochází řadou stavů rovnováhy velmi blízko sebe. Pak je možné na něj aplikovat různé principy termodynamiky a k předpovědi jeho vývoje použít nástroje nekonečně malého počtu a pravděpodobností , jako je zákon velkého počtu .

  Tato metoda je tak důležitá, že někteří definují termodynamiku jako vědu o přeměně velkých systémů na rovnováhu.

  Principy termodynamiky

  Termodynamika je založena na čtyřech principech doplňujících zachování hmoty  :

  • je nula zásada se týká pojmu z tepelné rovnováhy  ;
  • první princip (zásada rovnocennosti) se týká konzervativní povahy energie  ;
  • Druhý princip (princip Carnot) potvrzuje představu o nezvratnosti a pojetí entropie  ;
  • Třetí princip (princip Nernstova) je konečně zájem vlastností hmoty v blízkosti absolutní nuly .

  První a druhý princip jsou zásadní. Ostatní principy (0 a 3) lze odvodit z principů 1 a 2 a ze vzorců statistické fyziky.

  První princip termodynamiky

  První princip termodynamiky umožňuje studovat převody a transformace energie mezi počátečním stavu (I) a konečném stavu (F). Tvrdí, že celková energie izolovaného systému je zachována ve všech transformacích, kterými tento systém prošel.

  Státy

  Pro jakýkoli termodynamický systém můžeme definovat až do konstanty funkci zvanou vnitřní energie, která má následující vlastnosti: U{\ displaystyle U}

  • U{\ displaystyle U}je stavová funkce (záleží pouze na počátečním a konečném stavu transformace). Je to popsáno nezbytnými a dostatečnými proměnnými;
  • U{\ displaystyle U} je rozsáhlý;
  • U{\ displaystyle U} udržuje v izolovaném systému.

  Během nekonečně malé transformace mezi počátečním stavem a konečným stavem variace vnitřní energie uzavřeného systému ověřuje: ΔU{\ displaystyle \ Delta U}

  dEvs.+dEp+dU=δŽ+δQ{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}} + \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}} + \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}

  nebo:

  • dEvs.{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}}}označuje změnu kinetické energie  ;
  • dEp{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}}}variace vnější potenciální energie ;
  • δŽ{\ displaystyle \ delta W} práce sil vnějšího prostředí v systému (derivace je částečná, protože existuje několik možných cest);
  • δQ{\ displaystyle \ delta Q} množství tepla přijatého z prostředí mimo systém (derivace je částečná, protože existuje několik možných cest).
  Vysvětlení prvního principu

  První princip termodynamiky , nebo princip zachování energie, uvádí, že energie je vždy zachována. Jinými slovy, celková energie izolovaného systému zůstává konstantní. Události, které se tam vyskytují, vedou pouze k transformaci určitých forem energie na jiné formy energie. Energii proto nelze vyrábět ex nihilo  ; v přírodě je v neměnném množství. Lze jej přenášet pouze z jednoho systému do druhého. Nevytváříme energii, transformujeme ji.

  Tento princip je také obecným zákonem pro všechny fyzikální teorie (mechanika, elektromagnetismus, jaderná fyzika ...). Nikdy jsme nenašli sebemenší výjimku a z Noetherovy věty víme , že zachování energie úzce souvisí s uniformitou struktury časoprostoru. Připojuje se k principu, který prosazuje Lavoisier  : „  Nic není ztraceno, nic není vytvořeno, všechno je transformováno  “.

  Druhý princip termodynamiky

  První princip zakazuje jakoukoli transformaci vytvářející energii, ale autorizuje všechny ostatní, zejména všechny ty, které jsou reverzibilní a respektují zachování energie. V mnoha případech však experimentátoři dokázali pozorovat, že určité transformace nebyly reverzibilní: například kapka barviva zředěného ve vodě se už nikdy nestane kapkou barviva. K vysvětlení této nevratnosti je zapotřebí další princip: je to druhý princip termodynamiky, který definuje novou stavovou proměnnou, entropii .

  Státy

  Existuje funkce zvaná entropie, například: S{\ displaystyle S}

  • S{\ displaystyle S} je rozsáhlý;
  • S{\ displaystyle S} je stavová funkce v rovnováze
  • během vývoje uzavřeného systému entropie systému uspokojuje následující nerovnost ve směnných bodech:
  dS≥(δQT)Xj{\ displaystyle \ mathrm {d} S \ geq \ left ({\ frac {\ delta Q} {T}} \ right) _ {x_ {j}}}

  nebo:

  • dS{\ displaystyle \ mathrm {d} S} označuje změnu entropie (J / K);
  • δQ{\ displaystyle \ delta Q} přijaté teplo (J);
  • T{\ displaystyle T} teplota (K);
  • Xj{\ displaystyle x_ {j}} výměnná místa.

  Poznámka: při dosažení maximální entropie je teplota všude v systému stejná.

  Vysvětlení druhého principu

  Druhý princip termodynamiky , nebo princip vývoje systémů, potvrzuje degradaci energie: energie systému nutně a samovolně přechází z koncentrovaných a možnými formami difundovat a kinetických formách (tření, teplo,  atd. ). Zavádí tak pojem nevratnosti transformace a pojem entropie. Tvrdí, že entropie izolovaného systému se zvyšuje nebo zůstává konstantní.

  Tento princip je často interpretován jako „míra poruchy“ a jako nemožnost přechodu z „poruchy“ do „řádu“ bez vnějšího zásahu. Tento výklad je založen na informační teorii o Claude Shannon a rozsah této „informace“ nebo Shannon entropie . Tento princip má statistický původ  : na rozdíl od prvního principu jej mikroskopické zákony, které řídí hmotu, obsahují pouze implicitně a statisticky.

  Druhý princip má mnoho interpretací a implikací, které v průběhu let a objevů vedly k více než 20 různým formulacím.

  Nulový princip termodynamiky

  Státy

  Pokud jsou dva systémy v tepelné rovnováze s třetím, pak jsou také společně v tepelné rovnováze.

  Vysvětlení nulového principu

  Nula princip termodynamiky se týká teploty a pojem tepelné rovnováhy. Je to na základně termometrie : potvrzuje, že teplota je zjistitelná veličina , a že je tedy možné ji měřit srovnáním, tedy navrhovat teploměry .

  Třetí princip termodynamiky

  Státy

  K třetí princip uvádí, že entropie S termodynamického systému vnitřní rovnováhu blíží univerzální konstantní S0, když je absolutní teplota T se blíží nule. Alternativně můžeme říci, že S → S0 ve stavu, pro který má veličina tendenci k 0, kde {e} představuje zbývající členy úplné sady rozsáhlých proměnných. Podle konvence a po dohodě se statistickou mechanikou je hodnota této univerzální konstanty S → S0 považována za nulovou. Protože entropie je funkcí teploty, která se monotónně zvyšuje, tato konvence naznačuje, že entropie je kladná veličina. (∂U/∂S)E{\ displaystyle {\ biggl (} \ částečné U / \ částečné S {\ biggr)} _ {e}}

  Vysvětlení třetí zásady

  Třetí princip termodynamiky je spojen s sestupu směrem k jeho základní kvantovém stavu systému, jejíž teplota se blíží k hranici , která definuje pojem absolutní nule . V klasické termodynamice se tento princip používá pro stanovení tabulek termodynamických dat pro výpočet molární entropie S čisté látky (integrací na teplotě od S = 0 do 0 K ).  

  Axiomatická definice termodynamiky

  Termodynamiku lze matematicky přesně definovat množinou 4 axiomů (nebo postulátů ). Tato definice, nazývaná axiomatická, poskytuje pevný matematický základ principům termodynamiky a zdůvodňuje použití metod diferenciálního počtu a integrálního počtu v termodynamice.

  Postulát 1

  Makroskopické rovnovážné stavy jakéhokoli termodynamického systému jsou zcela charakterizovány specifikací vnitřní energie systému a konečným počtem rozsáhlých parametrů . U{\ displaystyle U}X0,X1,X2,...,Xne{\ displaystyle X_ {0}, X_ {1}, X_ {2}, ..., X_ {n}}

  Tento postulát umožňuje potvrdit existenci stavové proměnné „vnitřní energie“, že je možné reprezentovat jakýkoli výše uvedený systém a že každý systém má konečnou odchylku. Je to jeden ze základů prvního principu termodynamiky.

  Postulát 2

  Existuje funkce zvaná entropie . Entropie je funkcí rozsáhlých parametrů, je definována pro všechny rovnovážné stavy a má následující vlastnost: předpokládané hodnoty rozsáhlých parametrů při absenci vnějších omezení jsou ty, které maximalizují entropii na rozmanitých omezených rovnovážných stavech . S{\ displaystyle S}

  Tento postulát je jedním ze základů druhého principu termodynamiky.

  Postulát 3

  Když je entropie každého dílčího subsystému homogenní funkcí prvního řádu rozsáhlých parametrů, je entropie celého systému součtem entropií jednotlivých dílčích systémů. Entropie je pak spojitá a diferencovatelná a je to monotónně rostoucí funkce energie.

  Tento postulát je jedním ze základů druhého principu termodynamiky.

  Postulát 4

  Entropie jakéhokoli systému zmizí ve stavu, pro který:

  T≡(∂U/∂S)X1,X2,...=0{\ displaystyle T \ equiv {\ biggl (} \ částečné U / \ částečné S {\ biggr)} _ {X_ {1}, X_ {2}, ...} = 0}

  Tento postulát je základem druhého principu a umožňuje najít třetí.

  Poznámky a odkazy

  1. Termodynamika je především na počátku termochemie .
  2. Termodynamika se používá při vysvětlení „ velkého třesku “ a vývoje vesmíru .
  3. Teplo , Encyklopedie Universalis .
  4. Laplace a Lavoisier, „  Paměť na teplo  “ , na lavoisier.cnrs.fr ,1780(zpřístupněno v březnu 2021 ) .
  5. (in) Albert Einstein, Poznámky k autobiografii , Sobotní revue literatury,1949( číst online ) , s.  12
  6. Teprve na počátku XX tého  století s prací Albert Einstein (1905) a Jean Perrin (1909), které jsou vědecky vysvětlil původ a hlavní vlastnosti Brownova pohybu.
  7. Tyto vzorce jsou platné, pokud mají na molekuly vliv pouze šoky a ostatní interakce jsou zanedbatelné. To předpokládá relativně nízký tlak, obvykle méně než 10 atmosfér.
  8. Bonnefoy 2016 , s.  3-6.
  9. Sadi Carnot, Úvahy o hybné síle ohně , Paříž, Bachelier,1824( číst online ).
  10. Spíše než „hnací síla“ dnes říkáme, že termální stroje poskytují práci , a přemýšlíme, jak využívat teplo k výrobě nepřetržité práce.
  11. Čtyři fáze Carnotova cyklu jsou: izotermická komprese, adiabatická komprese, izotermická expanze, adiabatická expanze.
  12. Cleynen 2015 , s.  161-165.
  13. Cleynen 2015 , s.  155-157.
  14. Cleynen 2015 , s.  157-161.
  15. Cleynen 2015 , s.  250-270.
  16. Cleynen 2015 , s.  281-314.
  17. Vzduchové zbraně fungují podobným způsobem: je to rychlá expanze plynu, která pohání projektil do hlavně.
  18. Bonnefoy 2016 , s.  3.
  19. Brunet, Hocquet a Leyronas 2019 , s.  9-10.
  20. Bobroff 2009 , s.  9.
  21. Clausius, Mechanická teorie tepla , Paříž, Eugène Lacroix,1868, 441  s. ( číst online ) , s.  420
  22. Ribière 2010 , s.  7.
  23. Bonnefoy 2016 , s.  10.
  24. Obecněji řečeno, jakákoli proměnná, která je poměrem mezi dvěma rozsáhlými proměnnými, je intenzivní proměnnou.
  25. Některé představitelné a měřitelné fyzikální veličiny nejsou ani rozsáhlé, ani intenzivní: to je například případ čtverce objemu sady částic.
  26. Brunet 2019 , s.  12-13.
  27. Brunet 2019 , s.  12.
  28. Bobroff 2009 , s.  140.
  29. Richard MacKenzie, Souhrn termodynamiky , Montreal,2012, 91  s. ( číst online ) , s.  38-41
  30. (in) PK Nag, Basic and Applied Thermodynamic , New Delhi, Tata McGraw Hill,2002, 781  str. ( ISBN  0-07-047338-2 , číst online ) , s.  1.
  31. Ribière 2010 , s.  16-17.
  32. To platí, pokud neexistuje fenomén ekvivalence hmoty a energie E = mc 2 nebo dokonce tím, že říkáme, že hmotnost je energie.
  33. Bobroff 2009 , s.  18.
  34. Bobroff 2009 , s.  29-30.
  35. Bobroff 2009 , s.  41-43.
  36. Bonnefoy 2016 , s.  15-16.
  37. Leborgne 2019 , s.  3-15.
  38. Leborgne 2019 , s.  16-17.
  39. Leborgne 2019 , s.  23-25.

  Podívejte se také

  Související články

  • Historie klasické termodynamiky
  • Historie termodynamiky a statistické fyziky
  • Chronologie termodynamiky a statistické fyziky
  • Kinetická teorie plynů
  • Termodynamický cyklus
  • Tepelný přenos
  • Fázový diagram
  • Entropie
  • Neguentropie
  • Izobarický proces a monobarický proces
  • Adiabatický proces
  • Termochemie

  externí odkazy

  • Autoritní záznamy  :
    • Francouzská národní knihovna ( údaje )
    • Knihovna Kongresu
    • Gemeinsame Normdatei
    • Národní dietní knihovna
  • Sdělení ve všeobecných slovnících nebo encyklopediích  : Enciclopedia De Agostini  • Encyklopedie Britannica  • Encyklopedie Universalis  • Encyklopedie Treccani  • Gran Enciclopèdia Catalana

  Bibliografie

  Zdroje

  • Brunet, Hocquet a Leyronas, „  Cours de thermodynamique  “ [PDF] , na ENS ,2019(zpřístupněno v březnu 2021 ) . 
  • Philippe Ribière, „  Příprava EPNER: termodynamika  “ [PDF] , EPNER , 13. – 14. Září 2010 . 
  • Olivier Bonnefoy, termodynamika , Saint Etienne,2016( číst online )
  • Julien Boubroff, klasická termodynamika , Orsay,2009, 164  s. ( číst online )
  • Olivier Cleynen, inženýrská termodynamika , Framabook,2015, 355  s. ( ISBN  979-10-92674-08-8 , číst online )
  • Gilles Leborgne, Termodynamika a diferenciální formy , Clermont-Ferrand, ISIMA,2019, 32  s. ( číst online )

  Popularizace

  • Bernard Brunhes , Degradace energie , Paříž, ed. Flammarion, kol.  "Knihovna vědecké filozofie",1908( Repr.  Vyd. Flammarion, Sb.,  "Fields", n o  251, 1991), 394  str. ( OCLC  6492528 ).
  • Bernard Diu , Do Atoms Really Exist , Paříž, O. Jacob, kol.  "Vědy",1997, 321  str. ( ISBN  978-2-7381-0421-2 , vývěsní BNF n o  FRBNF35862414 ).
  • Philippe Depondt , Entropy a to všechno: román termodynamiky , Paříž, Cassini, kol.  "Sůl a železo",2001, 311  str. ( ISBN  978-2-84225-044-7 ).
  • PW Atkins ( překlad  F. Gallet), Teplo a porucha: druhý princip termodynamiky , Paříž, Pour la Science Diffusion Belin, kol.  "Vesmír věd",1987, 214  s. ( ISBN  978-2-902918-40-9 , OCLC  20448357 ). Slavný profesor chemie-fyziky z Oxfordské univerzity, dílo popularizující termodynamiku z makroskopického a mikroskopického hlediska. Úroveň vysokoškoláka .

  Referenční knihy

  • Pierre Infelta a Michael Grätzel , principy a aplikace termodynamiky , Boca Raton, Brown Walker Press,2006( dotisk  2010), 454  s. ( ISBN  978-1-58112-995-3 , OCLC  690405121 , číst online ). Kurzy úrovně Bac + 1 až bac + 3. Problémy s řešením. Se statistickou termodynamikou ( ISBN  1-58112-994-7 ) (elektronická kniha, ebook).
  • . Georges Bruhat , A Kastler , R Vichnievsky et al. , Kurz obecné fyziky: pro využití vědeckého a technického vysokoškolského vzdělávání , Paříž, Masson,1968, 6 th  ed. , 887  str..Autor, který zemřel během deportace během druhé světové války , byl ředitelem fyzikální laboratoře na École normale supérieure v rue d'Ulm . Jeho kurz, který se stal „klasickým“, je přístupný od prvního vysokoškolského cyklu. Tato 6 th  vydání byla revidována a rozšířena o Alfred Kastler , Nobelovy ceny za fyziku z roku 1966 za jeho práci v atomové fyzice.
  • Yves Rocard , termodynamika , Paříž, Masson,1967, 2 nd  ed. ( 1 st  ed. 1952), 551  str. ( OCLC  6501602 , číst online ). Tento další referenční kurz, který se také stal „klasickým“, je přístupný od prvního vysokoškolského cyklu.
  • Prigogine a Isabelle Stengers, Nová aliance: metamorfóza vědy , Paříž, Gallimard , kol.  "Folio / eseje" ( n O  26),1986, 439  s. ( ISBN  978-2-07-032324-1 a 2-070-32324-2 , OCLC  300154208 , oznámení BNF n o  FRBNF34875644 ) , str.  400. Historie zrodu termodynamiky a pojmy entropie a nevratnosti ve fyzice.

  Úvod do statistické fyziky

  • Frederic Reif, statistická fyzika , kurz fyziky Berkeley, sv. 5, Armand Colin, 1972, 398 s., Publikováno Dunodem.Tento svazek 5 slavného kurzu fyziky Berkeley v 60. letech je nutností. Úvod přístupný vysokoškolákovi.
  • Bernard Jancovici, Termodynamika a statistická fyzika , Ediscience, 1969, 186 s., Znovu publikován (bez cvičení) Nathan University ve své sbírce „128 věd“ (1996), 128 s.Autor, profesor teoretické fyziky na univerzitě v Paříži Sud-Orsay, dlouho učil statistickou fyziku na ENS Ulm (MIP a DEA v teoretické fyzice). Tato malá kniha je úvodním kurzem termodynamiky pomocí elementární statistické fyziky. Vysokoškolská vysokoškolská úroveň.
  • (en) Percy W. Bridgman , Povaha termodynamiky , Harvard University Press, 1941, 230 s.Úvahy o významu dvou principů termodynamiky. Autorovi byla udělena Nobelova cena za fyziku z roku 1946 za práci o vysokém tlaku. Tato kniha obsahuje některé rovnice přístupné na vysokoškolské úrovni.
  • (en) Mark W. Zemansky and Richard H. Dittman, Heat and termodynamics: an intermediate učebnice , Auckland Singapore, McGraw-Hill,devatenáct osmdesát jedna, 6 th  ed. ( 1 st  ed. 1937), 544  str. ( ISBN  978-0-07-066647-4 , OCLC  450205456 ). První polovina tohoto objemu, přístupného na vysokoškolské úrovni, je kurz makroskopické termodynamiky podle experimentálního přístupu: výchozím bodem je koncept obvyklé teploty. Druhá polovina knihy, věnovaná přístupu termodynamiky pomocí statistické fyziky, je spíše na úrovni absolventa. Tato kniha je moje aplikace.
  • (en) Herbert B. Callen, Termodynamika a úvod do termostatistiky , New York, John Wiley & Sons ,1985, 2 nd  ed. , 493  s. ( ISBN  978-0-471-86256-7 a 978-0-471-61056-4 , OCLC  11916089 , číst online ). Tato kniha je ideálním doplňkem k předchozí práci. První částí tohoto svazku je samozřejmě kurz makroskopické termodynamiky podle axiomatického přístupu: postuláty jsou uvedeny z první kapitoly, koncept teploty je z ní odvozen v následující kapitole. Tato první část práce je přístupná na vysokoškolské úrovni. Druhá část knihy je věnována přístupu termodynamiky pomocí statistické fyziky. Tato část je spíše na úrovni absolventů.
  • (en) Ryogo Kubo, Termodynamika , John Wiley & Sons, 1960.Klasická práce na termodynamice, úroveň absolventa.
  • (en) AB Pippard, Elements of Classical Thermodynamics - For Advanced Students of Physics , Cambridge University Press (1957), 173 p., reissue:Duben 2004( ISBN  0-521-09101-2 ) .Druhá univerzitní úroveň.

  Univerzita druhého stupně

  • Bernard Diu , Claudine Guthmann, Danielle Lederer a kol. „ Prvky statistické fyziky , Paříž, Hermann ,2014, 1028  s. ( ISBN  978-2-7056-8531-7 , OCLC  892826767 ).
  • Roger Balian , Od mikroskopického k makroskopickému: kurz statistické fyziky na École polytechnique , Palaiseau Paris, École polytechnique Ellipses,1982, 639  s. , 2 obj. ( ISBN  978-2-7298-9000-1 a 978-2-729-89001-8 ). Kurz statistické fyziky, který je založen na předchozích znalostech kvantové mechaniky. Revidovaná a rozšířená verze, včetně kapitol o nerovnovážné termodynamice a kinetice, byla publikována v angličtině ve dvou svazcích pod názvem Od mikrofyziky po makrofyziku: metody a aplikace statistické fyziky (Springer Verlag, 2007).
  • (en) Frederic Reif , Základy statistické a tepelné fyziky , New York, McGraw-Hill ,1965, 651  str. ( ISBN  978-0-07-051800-1 ). Klasická práce na statistické fyzice.
  • (en) Linda E. Reichl , Moderní kurz statistické fyziky , New York, John Wiley & Sons ,1998, 2 nd  ed. , 822  s. ( ISBN  978-0-471-59520-5 ). Moderní, již klasické dílo. Linda Reichl je profesorem statistické fyziky na University of Austin v Texasu (USA).
  • (en) Kerson Huang  (en) , Statistická mechanika , New York, John Wiley & Sons ,1987, 2 nd  ed. , 493  s. ( ISBN  978-0-471-81518-1 a 978-0-471-85913-0 ). Klasická práce na statistické fyzice.
  • (en) Ryōgo Kubo , Hiroshi Ichimura, Tsunemaru Usui a Natsuki Hashitsume, Statistická mechanika: pokročilý kurz s problémy a řešeními , Amsterdam New York, Severní Holandsko, kol.  "Osobní knihovna",1988( 1 st  ed. 1965), 425  str. ( ISBN  978-0-444-87103-9 ). Klasická práce na statistické fyzice.
  • (en) Alexandre Khintchine ( překlad  G. Gamow), Matematické základy statistické mechaniky [„Matematicheskie osnovanii︠a︡ statisticheskoĭ mekhaniki“], New York, Dover Publications ,1949, 179  s. ( ISBN  978-0-486-60147-2 , číst online ). Klasická práce na základech statistické fyziky, zejména ergodické hypotézy.

  Historické aspekty

  • Anouk Barberousse, statistická mechanika. Od Clausia po Gibbse , kol. „Histoire des sciences“, Belin , 2002, 240 s. ( ISBN  2-7011-3073-5 ) .Tato originální sbírka nabízí historii vývoje kinetické teorie plynů z výtažků z velkých zakládajících textů (přeložených do francouzštiny), které do současné perspektivy uvedl historik vědy ( CNRS ).
  • (en) Stephen G. Brush , The Kind of Motion we call Heat - A History of the Kinetic Theories of Gases in the 19. Century (2 vol.), North-Holland, 1976. vol. 1: Fyzika a atomisté ( ISBN  0-444-87008-3 ) , 300 s. let. 2: Statistická fyzika a nevratné procesy ( ISBN  0-444-87009-1 ) , 470 s.Vědecká historie vývoje kinetické teorie plynů, profesorem mechaniky tekutin na Marylandské univerzitě .
  • (en) Carlo Cercignani , Ludwig Boltzmann: muž, který důvěřoval atomům , Oxford New York, Oxford University Press ,1998, 329  s. ( ISBN  978-0-19-850154-1 a 978-0-198-57064-6 , OCLC  38910156 , číst online ). Vědecká biografie Boltzmanna, profesorem matematické fyziky na milánské univerzitě .
  • (en) Paul Ehrenfest a Tatiana Ehrenfest , Konceptuální základy statistického přístupu v mechanice , New York, Dover Publications ,1990, 114  s. ( ISBN  978-0-486-66250-3 , číst online ). Reedice klasického článku původně publikovaného v roce 1912 (v němčině). Druhá univerzitní úroveň. Francouzská verze tohoto textu, publikovaná v roce 1915, byla znovu vydána: Jacques Gabay , 1991 ( ISBN  2-87647-114-0 ) .
  • (en) Peter M. Harman, Energie, síla a hmota - Koncepční vývoj fyziky 19. století , Cambridge University Press , 1982.Historie vývoje fyziky v XIX -tého  století, profesor dějin věd z univerzity v Lancasteru .
  • (en) Peter M. Harman, The Natural Philosophy of James-Clerk Maxwell , Cambridge University Press , 1998, 232 p. ( ISBN  0-521-00585-X ) .Přirozená filozofie Maxwella , zakladatele teorie elektrodynamiky a autora důležitých příspěvků ke kinetické teorii plynů.
  • Robert Locqueneux, prehistorie a historie termodynamiky (historie tepla) , Historical skládanky a filozofie vědy , n o  45, francouzská společnost pro dějiny vědy a techniky,Prosince 1996, 333 s. ( ISSN  0221-3664 ) .Zkušební teorie tepla do XVIII th a XIX th  století.
  • Jean-Pierre Maury, Carnot a parní stroj , Paříž, PUF , kol.  "Filozofie",1986, 127  s. ( ISBN  978-2-13-039880-6 , OCLC  416641388 , vývěsní BNF n o  FRBNF34905835 ). Historie vývoje parních strojů od narození v XVII -tého  století do teoretické práce Carnot ( Úvahy o pohonu of Fire , 1824).