Termodinamik sistem - Thermodynamic system

Enerji ve madde alışverişinde izole, kapalı ve açık termodinamik sistemlerin özellikleri.

Bir termodinamik sistem , uzayda duvarlarla sınırlanmış, tanımlanmış geçirgenlikleri olan ve kendisini çevresinden ayıran bir madde ve/veya radyasyon kütlesidir . Çevre, diğer termodinamik sistemleri veya termodinamik sistemler olmayan fiziksel sistemleri içerebilir . Bir termodinamik sistemin duvarı, tüm maddeye, tüm radyasyona ve tüm kuvvetlere 'geçirgen' olarak tanımlandığında, tamamen kavramsal olabilir. Bir termodinamik sistem, her zaman hem yoğun hem de kapsamlı özellikleri kapsayan belirli bir termodinamik durum değişkenleri seti ile tam olarak tanımlanabilir .

Yaygın olarak kullanılan bir ayrım, yalıtılmış , kapalı ve açık termodinamik sistemler arasındadır.

Bir izole edilmiş termodinamik sistem katı ve hareket ettirilemez ve maddenin her türlü ve tüm kuvvetler geçirmeyen olduğu ısı iletken olmayan ve radyasyon mükemmel yansıtıcı duvarları vardır. (Bazı yazarlar burada 'izole' kelimesi kullanıldığında 'kapalı' kelimesini kullanırlar.)

Bir kapalı termodinamik sistem alternatif olarak başlatılan (termodinamik işlemler için ya da geçirgen olmayan ( 'adiyabatik') ısıtılması ve bu, ( 'diyatermik' olarak tanımlanan) geçirgen yapılabilir, termodinamik işlemleri ile, madde geçirmeyen duvarlarla sınırlandırılmış, ancak ve termodinamik işlemlerle sonlandırılır), Joule'ün ısının mekanik eşdeğerinin orijinal gösteriminde olduğu gibi, sistem hacmi değişikliği veya sistem içeriğindeki iç sürtünme ile çalkalama ile dönüşümlü olarak hareket etmesine izin verilebilir veya verilmeyebilir ve dönüşümlü olarak pürüzlü veya pürüzsüz hale getirilebilir. , yüzeyinde sürtünme ile sistemin ısınmasına izin vermek veya vermemek için.

Bir açık termodinamik sistem, bu amaç için açık sistem çevresinin bir parçası olarak kabul edilir diğer bir termodinamik sisteminden ayrılır ve bunu, duvar en az bir kimyasal maddeyi, hem de ışımaya geçirimli olan en azından bir duvar vardır; böyle bir duvar, açık sistem termodinamik dengedeyken, kendi içinde bir sıcaklık farkını sürdürmez.

Bir termodinamik sistem, termodinamik işlemler adı verilen dış müdahalelere tabidir ; bunlar sistemin duvarlarını veya çevresini değiştirir; Sonuç olarak, sistem uğrar, geçici Termodinamik süreçleri prensiplerine göre termodinamik . Bu tür işlemler ve süreçler, sistemin termodinamik durumundaki değişiklikleri etkiler.

İçeriğinin yoğun durum değişkenleri uzayda değiştiğinde, bir termodinamik sistem, her biri farklı bir termodinamik sistem olan birbirine bitişik birçok sistem olarak düşünülebilir.

Bir termodinamik sistem, karşılıklı termodinamik dengede, herhangi bir duvarla birbirinden ayrılmamış buz, sıvı su ve su buharı gibi birkaç faz içerebilir. Veya homojen olabilir. Bu tür sistemler 'basit' olarak kabul edilebilir.

Bir "bileşik" termodinamik sistem, belirli ilgili geçirgenliklere sahip bir veya birkaç duvarla karşılıklı olarak ayrılmış birkaç basit termodinamik alt sistem içerebilir. Böyle bir bileşik sistemin başlangıçta bir termodinamik denge durumunda izole edilmiş, daha sonra bazı alt-sistemler arası duvar geçirgenliğinin artışının bir termodinamik çalışmasından etkilenerek, bir geçici termodinamik süreci başlatmak ve böylece nihai bir termodinamik süreci başlatmak genellikle uygundur. termodinamik dengenin yeni hali. Bu fikir Carathéodory tarafından kullanılmış ve belki de tanıtılmıştır. Başlangıçta termodinamik denge durumunda izole edilmiş bir bileşik sistemde, duvar geçirgenliğinin azalması ne termodinamik süreci ne de termodinamik durumdaki bir değişikliği etkilemez. Bu fark termodinamiğin İkinci Yasasını ifade eder . Mikro-durumların erişilebilirliğinin artması nedeniyle entropi ölçümlerindeki artışın enerji dağılımındaki artışı gösterdiğini göstermektedir.

Denge termodinamiğinde, bir termodinamik sistemin durumu, denge olmayan bir durumun aksine bir termodinamik denge durumudur.

Bir sistemin duvarlarının geçirgenliklerine göre, termodinamik dengeye ulaşılana kadar zamanla değişmediği varsayılan sistem ve çevresi arasında enerji ve madde transferleri meydana gelir. Denge termodinamiğinde dikkate alınan durumlar sadece denge durumlarıdır. Klasik termodinamik şunları içerir: (a) denge termodinamiği; (b) sistemin durumlarından ziyade döngüsel süreç dizileri açısından ele alınan sistemler; bunlar konunun kavramsal gelişiminde tarihsel olarak önemliydi. Sürekli akışlarla tanımlanan sürekli devam eden süreçler açısından düşünülen sistemler mühendislikte önemlidir.

Termodinamik sistemlerin durumlarını tanımlayan termodinamik dengenin varlığı, termodinamiğin esas, karakteristik ve en temel varsayımıdır, ancak nadiren bir numaralı yasa olarak anılır. Bailyn'e göre , termodinamiğin sıfırıncı yasasının yaygın olarak prova edilen ifadesi , bu temel varsayımın bir sonucudur. Gerçekte, doğada pratik olarak hiçbir şey katı termodinamik dengede değildir, ancak termodinamik dengenin varsayımı, hem teorik hem de deneysel olarak genellikle çok faydalı idealleştirmeler veya yaklaşımlar sağlar; deneyler pratik termodinamik denge senaryoları sağlayabilir.

Denge termodinamiğinde durum değişkenleri akıları içermez çünkü bir termodinamik denge durumunda tüm akılar tanım gereği sıfır değerlerine sahiptir. Denge termodinamik süreçleri, akışları içerebilir, ancak bunlar, bir termodinamik süreç veya işlem tamamlandığında, bir sistemi nihai termodinamik durumuna getirene kadar durmuş olmalıdır. Denge dışı termodinamik, durum değişkenlerinin, bir sistem ile çevresi arasındaki kütle veya enerji veya entropi transferlerini tanımlayan sıfır olmayan akıları içermesine izin verir .

1824'te Sadi Carnot , termodinamik bir sistemi, incelenen herhangi bir ısı motorunun çalışma maddesi (buhar hacmi gibi) olarak tanımladı .

Sistem sınırı2.svg

genel bakış

Termodinamik denge, kütle veya enerji akışının olmaması ile karakterize edilir. Fizikte bir konu olarak denge termodinamiği, makroskopik madde ve enerji cisimlerini iç termodinamik denge durumlarında ele alır. cisimlerin aralarında madde ve enerji transferi yoluyla bir denge durumundan diğerine geçtiği termodinamik süreçler kavramını kullanır . 'Termodinamik sistem' terimi, termodinamiğin özel bağlamında madde ve enerji cisimlerine atıfta bulunmak için kullanılır. Cisimler arasındaki olası denge, cisimleri ayıran duvarların fiziksel özellikleri tarafından belirlenir. Denge termodinamiği genel olarak zamanı ölçmez. Denge termodinamiği nispeten basit ve iyi anlaşılmış bir konudur. Bunun bir nedeni, 'bir cismin entropisi' olarak adlandırılan iyi tanımlanmış bir fiziksel niceliğin varlığıdır.

Fizikte bir konu olarak denge dışı termodinamik, iç termodinamik denge durumunda olmayan, ancak genellikle birbiriyle yakından ilişkili nicelikler cinsinden açıklamaya izin verecek kadar yavaş transfer süreçlerine katılan madde ve enerji cisimlerini dikkate alır. için termodinamik durum değişkenleri . Madde ve enerji akışlarının varlığı ile karakterizedir. Bu konu için, göz önünde bulundurulan cisimler genellikle düzgün uzaysal homojensizliklere sahiptir, böylece uzaysal gradyanlar, örneğin bir sıcaklık gradyanı, yeterince iyi tanımlanmıştır. Bu nedenle, denge dışı termodinamik sistemlerin tanımı, denge termodinamiği teorisinden daha karmaşık olan bir alan teorisidir. Denge dışı termodinamik, yerleşik bir yapı değil, büyüyen bir konudur. Genel olarak, denge dışı problemler için tam olarak tanımlanmış bir entropi bulmak mümkün değildir. Birçok denge dışı termodinamik problem için, 'entropi üretiminin zaman oranı' olarak adlandırılan yaklaşık olarak tanımlanmış bir miktar çok faydalıdır. Denge dışı termodinamik, çoğunlukla bu makalenin kapsamı dışındadır.

Mühendislikte başka bir tür termodinamik sistem düşünülür. Bir akış sürecinde yer alır. Hesap, birçok durumda pratikte yeterince iyi olan yaklaşık denge termodinamik kavramlarıdır. Bu, çoğunlukla bu makalenin kapsamı dışındadır ve diğer makalelerde, örneğin Akış süreci makalesinde belirtilmiştir .

Tarih

Bir termodinamik sistemin yaratılmasına yönelik ilk Fransız fizikçi oldu Sadi Carnot olan 1824 Reflections of Fire Güç Motive üzerine o dediği çalışılan çalışma madde içinde, su buharı örneğin tipik bir beden, buhar motorları açısından, sistemin kendisine ısı uygulandığında iş yapabilme yeteneği. Çalışma maddesi, bir ısı deposu (bir kazan), bir soğuk depo (bir soğuk su akışı) veya bir piston (çalışma gövdesinin üzerine itilerek iş yapabileceği) ile temas ettirilebilir. 1850'de Alman fizikçi Rudolf Clausius bu resmi çevre kavramını içerecek şekilde genelleştirdi ve sistemden "çalışan beden" olarak bahsetmeye başladı. Clausius , 1850 tarihli Ateşin Güdüsel Gücü Üzerine adlı el yazmasında şunları yazmıştı:

"Her hacim değişikliğinde (çalışma gövdesine) , gaz tarafından veya gazın üzerinde belirli bir miktarda yapılmalıdır, çünkü genleşmesiyle bir dış basıncın üstesinden gelir ve sıkıştırması ancak dış kuvvetin zorlamasıyla sağlanabilir. Gaz tarafından veya gazın üzerinde yapılan bu fazla işe, ilkemize göre, tüketilen veya üretilen orantılı bir ısı fazlalığı karşılık gelmelidir ve gaz, "çevreleyen ortama" verdiği ısı miktarının aynısını veremez. alır."

Carnot ısı motoru makalesi, Carnot tarafından ideal motorunu tartışırken kullandığı orijinal piston-silindir diyagramını göstermektedir; aşağıda, Carnot motorunu tipik olarak mevcut kullanımda modellendiği gibi görüyoruz:

Carnot motor diyagramı (modern) – ısının yüksek sıcaklıktaki bir T H fırından "çalışma gövdesinin" (çalışma maddesi) sıvısı yoluyla ve soğuk lavaboya T C aktığı , böylece çalışma maddesini mekanik iş W yapmaya zorladığı yer. çevre, kasılma ve genişleme döngüleri yoluyla.

Gösterilen şemada, Clausius tarafından 1850'de tanıtılan bir terim olan "çalışma gövdesi" (sistem), üretmek için Q ısısının girilebildiği veya içinden iletildiği herhangi bir sıvı veya buhar gövdesi olabilir . 1824'te Sadi Carnot, ünlü makalesi Ateşin Güdüsel Gücü Üzerine Düşünceler'de , akışkan cismin, su buharı, alkol buharı, cıva buharı, kalıcı bir gaz gibi genleşebilen herhangi bir madde olabileceğini öne sürdü. ya da hava gibi olsa da, bu erken yıllarda, motorları bir takım konfigürasyonlarda geldi, tipik olarak, Q, H , su, bir fırın içinde kaynatılmış burada bir kazan tarafından tedarik edildi; Q, C , tipik olarak bir biçiminde soğuk akan su akışı olan kondansatör motorun ayrı bir parça üzerinde yer alan. Çıktı işi W , su basmış tuz madenlerinden suyu çıkarmak için tipik olarak bir kasnağı döndüren bir krank kolunu döndürürken pistonun hareketiydi. Carnot, işi "bir yükseklikten kaldırılan ağırlık" olarak tanımladı.

Dengedeki sistemler

En termodinamik denge , bir sistemin özelliklerinin zaman içinde değişmeyen, tanım olarak, bulunmaktadır. Dengedeki sistemler, dengede olmayan sistemlerden çok daha basit ve anlaşılması daha kolaydır. Bazı durumlarda, bir termodinamik süreci analiz ederken , süreçteki her bir ara durumun dengede olduğu varsayılabilir. Bu, analizi önemli ölçüde basitleştirir.

İzole sistemlerde, zaman geçtikçe dahili yeniden düzenlemelerin azaldığı ve kararlı koşullara yaklaşıldığı sürekli olarak gözlemlenir. Basınçlar ve sıcaklıklar eşitlenme eğilimindedir ve madde kendisini bir veya birkaç nispeten homojen fazda düzenler . Tüm değişim süreçlerinin pratik olarak tamamlandığı bir sistem, termodinamik bir denge durumunda kabul edilir . Dengedeki bir sistemin termodinamik özellikleri zamanla değişmez. Denge sistemi durumlarını, deterministik bir şekilde tanımlamak, denge dışı durumlardan çok daha kolaydır.

Bir işlemin tersinir olması için, işlemdeki her adımın tersinir olması gerekir. Bir süreçteki bir adımın tersinir olması için sistemin adım boyunca dengede olması gerekir. Bu ideal pratikte gerçekleştirilemez çünkü sistemi dengeden bozmadan hiçbir adım atılamaz, ancak yavaş yavaş değişiklikler yapılarak ideale yaklaşılabilir.

duvarlar

İzin verilen transfer türleri duvar türlerine göre
duvar tipi transfer türü
Önemli olmak Çalışmak Sıcaklık
madde geçirgen Yeşil keneY Kırmızı Xn Kırmızı Xn
enerji geçirgen ama

madde geçirmez

Kırmızı Xn Yeşil keneY Yeşil keneY
adyabatik Kırmızı Xn Yeşil keneY Kırmızı Xn
adinamik ve

madde geçirmez

Kırmızı Xn Kırmızı Xn Yeşil keneY
izole etmek Kırmızı Xn Kırmızı Xn Kırmızı Xn

Bir sistem, onu çevreleyen ve çevresine bağlayan duvarlarla çevrilidir. Genellikle bir duvar, geçişi bir tür madde veya enerji ile kısıtlayarak bağlantıyı dolaylı hale getirir. Bazen bir duvar, çevreyle doğrudan bağlantısı olan hayali iki boyutlu kapalı bir yüzeyden başka bir şey değildir.

Bir duvar sabit (örneğin sabit hacimli bir reaktör) veya hareketli (örneğin bir piston) olabilir. Örneğin, pistonlu bir motorda sabit bir duvar, pistonun konumunda kilitlendiği anlamına gelir; daha sonra, sabit hacimli bir süreç meydana gelebilir. Aynı motorda, bir pistonun kilidi açılabilir ve içeri ve dışarı hareket etmesine izin verilebilir. İdeal olarak, bir duvar adyabatik , diyatermal , geçirimsiz, geçirgen veya yarı geçirgen olarak ilan edilebilir . Bu tür idealleştirilmiş özelliklere sahip duvarlar sağlayan gerçek fiziksel malzemeler her zaman hazır değildir.

Sistem, korunan (madde ve enerji gibi) veya korunmayan (entropi gibi) miktarların sistemin içine ve dışına geçebileceği gerçek veya kavramsal duvarlar veya sınırlarla sınırlandırılmıştır. Termodinamik sistemin dışındaki boşluk, çevre , rezervuar veya çevre olarak bilinir . Duvarların özellikleri, hangi transferlerin gerçekleşebileceğini belirler. Bir miktarın aktarılmasına izin veren bir duvarın ona karşı geçirgen olduğu söylenir ve bir termodinamik sistem, birkaç duvarının geçirgenliğine göre sınıflandırılır. Sistem ve çevre arasında bir transfer, ısı iletimi gibi temas veya çevredeki elektrik alanı gibi uzun menzilli kuvvetler ile ortaya çıkabilir.

Tüm transferleri engelleyen duvarlı bir sistemin izole olduğu söylenir . Bu idealize edilmiş bir kavramdır, çünkü pratikte örneğin yerçekimi kuvvetleri aracılığıyla bir miktar aktarım her zaman mümkündür. Yalıtılmış bir sistemin durumu zamanla değişmediğinde, sonunda iç termodinamik dengeye ulaşması termodinamiğin bir aksiyomudur .

Kapalı bir sistemin duvarları, kendisi ve çevresi arasında maddeden değil, ısı ve iş olarak enerji transferine izin verir. Açık bir sistemin duvarları hem maddenin hem de enerjinin transferine izin verir. Bu terim tanımı şeması, bazı amaçlar için uygun olmasına rağmen, aynı şekilde kullanılmamaktadır. Özellikle, bazı yazarlar burada 'izole sistem'in kullanıldığı yerde 'kapalı sistem' kullanırlar.

Sınırı geçen ve sistemin içeriğinde bir değişikliği etkileyen herhangi bir şey, uygun bir denge denkleminde hesaba katılmalıdır. Hacim, 1900'de tanımlanan Max Planck gibi tek bir atom rezonans enerjisini çevreleyen bölge olabilir ; 1824'te tanımlanan Sadi Carnot gibi bir buhar motorundaki bir buhar veya hava gövdesi olabilir . Kuantum termodinamiğinde varsayıldığı gibi sadece bir nüklid (yani bir kuark sistemi ) de olabilir .

Çevre

Sistem, incelenen evrenin bir parçasıdır, çevre ise sistemin sınırlarının dışında kalan evrenin geri kalanıdır. Çevre veya rezervuar olarak da bilinir . Sistemin türüne bağlı olarak, kütle, enerji (ısı ve iş dahil), momentum , elektrik yükü veya diğer korunan özellikleri değiştirerek sistemle etkileşime girebilir . Bu etkileşimler dışında, sistemin analizinde çevre göz ardı edilir.

Kapalı sistem

Kapalı bir sistemde, sistem sınırlarının içine veya dışına hiçbir kütle aktarılamaz. Sistem her zaman aynı miktarda madde içerir, ancak sistemin sınırları boyunca ısı ve iş alışverişi yapılabilir. Bir sistemin ısı, iş veya her ikisini de alıp alamayacağı, sınırının özelliğine bağlıdır.

Bir örnek, bir silindirdeki bir piston tarafından sıkıştırılan sıvıdır. Kapalı bir sistemin başka bir örneği, belirli bir reaksiyonun yanma ısısını ölçmek için kullanılan bir tür sabit hacimli kalorimetre olan bomba kalorimetresidir. Elektrik enerjisi, elektrotlar arasında bir kıvılcım oluşturmak için sınır boyunca hareket eder ve yanmayı başlatır. Yanma sonrasında sınır boyunca ısı transferi gerçekleşir, ancak her iki şekilde de kütle transferi gerçekleşmez.

Açık bir sistem için termodinamiğin birinci yasasından başlayarak, bu şu şekilde ifade edilir:

burada U iç enerjidir, Q sisteme eklenen ısıdır, W sistem tarafından yapılan iştir ve sistemin içine veya dışına kütle aktarılmadığından, kütle akışını içeren her iki ifade de sıfırdır ve termodinamiğin birinci yasasıdır. kapalı bir sistem için türetilmiştir. Kapalı bir sistem için termodinamiğin birinci yasası, sistemin iç enerjisindeki artışın, sisteme eklenen ısı miktarı eksi sistem tarafından yapılan işe eşit olduğunu belirtir. Sonsuz küçük değişiklikler için kapalı sistemler için birinci yasa şu şekilde ifade edilir:

İş, P basıncında d V hacim genişlemesinden kaynaklanıyorsa, o zaman:

Tersinir bir süreçten geçen homojen bir sistem için termodinamiğin ikinci yasası şöyledir:

burada T mutlak sıcaklık ve S sistemin entropisidir. Bu ilişkilerle, iç enerjideki değişiklikleri hesaplamak için kullanılan temel termodinamik ilişki şu şekilde ifade edilir:

Tek tip parçacık (atom veya molekül) içeren basit bir sistem için, kapalı bir sistem sabit sayıda parçacık anlamına gelir. Bununla birlikte, kimyasal reaksiyona giren sistemler için , reaksiyon süreci tarafından üretilen ve yok edilen her türlü molekül olabilir. Bu durumda sistemin kapalı olduğu gerçeği, hangi molekülün parçası olursa olsun, her bir element atomunun toplam sayısının korunduğu ifade edilerek ifade edilir. Matematiksel olarak:

burada N j , j-tipi moleküllerin sayısıdır, a ij , j molekülündeki i elementinin atom sayısıdır ve b i 0 , sistemdeki sabit kalan, sistemdeki i elementinin toplam atom sayısıdır , çünkü sistem kapalı. Sistemdeki her eleman için böyle bir denklem vardır.

Yalıtılmış sistem

Yalıtılmış bir sistem, çevresiyle hiçbir şekilde etkileşime girmediği için kapalı bir sisteme göre daha kısıtlayıcıdır. Kütle ve enerji sistem içinde sabit kalır ve sınır boyunca hiçbir enerji veya kütle aktarımı gerçekleşmez. Yalıtılmış bir sistemde zaman geçtikçe, sistemdeki iç farklılıklar eşitlenme, basınçlar ve sıcaklıklar ve yoğunluk farklılıkları eşitlenme eğilimi gösterir. Tüm eşitleme işlemlerinin pratik olarak tamamlandığı bir sistem, termodinamik bir denge durumundadır .

Gerçekten izole edilmiş fiziksel sistemler gerçekte (belki de bir bütün olarak evren hariç) mevcut değildir, çünkü örneğin, kütleli bir sistem ile başka bir yerde kütleler arasında her zaman yerçekimi vardır. Ancak, gerçek sistemler sonlu (muhtemelen çok uzun) zamanlar için neredeyse yalıtılmış bir sistem gibi davranabilir. Yalıtılmış bir sistem kavramı, birçok gerçek dünya durumuna yaklaşan faydalı bir model olarak hizmet edebilir . Belirli doğal olayların matematiksel modellerinin oluşturulmasında kullanılan kabul edilebilir bir idealleştirmedir .

Termodinamiğin ikinci yasasındaki entropi artışı varsayımını doğrulama girişiminde Boltzmann'ın H-teoremi , bir sistemin (örneğin bir gazın ) izole edildiğini varsayan denklemleri kullandı . Duvarları basitçe ayna sınır koşulları olarak ele alarak , tüm mekanik serbestlik dereceleri belirtilebilir . Bu kaçınılmaz olarak Loschmidt'in paradoksuna yol açtı . Bununla birlikte, gerçek duvarlardaki moleküllerin stokastik davranışı , ortamın rastgele etkisi, arka plan termal radyasyonu ile birlikte düşünülürse , Boltzmann'ın moleküler kaos varsayımı doğrulanabilir.

Yalıtılmış sistemler için termodinamiğin ikinci yasası, dengede olmayan yalıtılmış bir sistemin entropisinin zamanla artma eğiliminde olduğunu ve dengede maksimum değere yaklaştığını belirtir. Genel olarak, yalıtılmış bir sistemde iç enerji sabittir ve entropi asla azalamaz. Bir kapalı ısı sistemi ekstre edildiğinde, sistemin entropi örneğin azaltabilir.

İzole sistemlerin kapalı sistemlere eşdeğer olmadığına dikkat etmek önemlidir. Kapalı sistemler çevre ile madde alışverişi yapamazlar, ancak enerji alışverişi yapabilirler. Yalıtılmış sistemler çevreleriyle ne madde ne de enerji alışverişinde bulunabilirler ve bu nedenle sadece teoriktir ve gerçekte (muhtemelen tüm evren hariç) mevcut değildir.

'Yalıtılmış sistem' doğru olduğunda termodinamik tartışmalarında 'kapalı sistem'in sıklıkla kullanıldığını belirtmekte fayda var – yani enerjinin sisteme girmediği veya sistemden çıkmadığı varsayımı var.

Maddenin seçici transferi

Bir termodinamik süreç için, sistemin duvarlarının ve çevresinin kesin fiziksel özellikleri önemlidir, çünkü olası süreçleri belirlerler.

Açık bir sistem, maddenin transferine izin veren bir veya birkaç duvara sahiptir. Açık sistemin iç enerjisini hesaba katmak için, bu, ısı ve iş için olanlara ek olarak enerji transfer terimlerini gerektirir. Aynı zamanda kimyasal potansiyel fikrine de yol açar .

Yalnızca saf bir maddeye seçici olarak geçirgen olan bir duvar, sistemi, çevredeki o saf maddenin bir rezervuarı ile difüzyon temasına sokabilir. O zaman bu saf maddenin sistem ve çevre arasında transfer edildiği bir süreç mümkündür. Ayrıca, o duvar boyunca o maddeye göre bir temas dengesi mümkündür. Uygun termodinamik işlemlerle saf madde deposu kapalı bir sistem olarak ele alınabilir. İç enerjisi ve entropisi, sıcaklığının, basıncının ve mol sayısının fonksiyonları olarak belirlenebilir.

Bir termodinamik işlem, o madde için temas denge duvarı dışındaki tüm sistem duvarlarını maddeye karşı geçirimsiz hale getirebilir. Bu, o madde için çevrenin referans durumuna göre bir yoğun durum değişkeninin tanımlanmasına izin verir. Yoğun değişken kimyasal potansiyel olarak adlandırılır; i bileşeni için genellikle μ i ile gösterilir . Karşılık gelen geniş bir değişken mol sayısı olabilir , N i sistemde bileşen madde.

Bir maddeyi geçirgen bir duvar boyunca bir temas dengesi için, maddenin kimyasal potansiyelleri duvarın her iki tarafında aynı olmalıdır. Bu, termodinamik dengenin doğasının bir parçasıdır ve termodinamiğin sıfırıncı yasasıyla ilgili olarak kabul edilebilir.

Sistemi aç

Açık bir sistemde, sistem ve çevresi arasında bir enerji ve madde alışverişi vardır. Açık bir beher içinde reaktanların varlığı, açık bir sisteme bir örnektir. Burada sınır, beher ve reaktanları çevreleyen hayali bir yüzeydir. Bu adlandırılır kapalı sınırlar madde için geçirimsiz, fakat ısı formunda enerji geçişini sağlamak ise, ve izole edilen ısı ve madde değişimi bulunmamaktadır ise. Açık sistem denge durumunda var olamaz. İç değişkenler kümesi, yukarıda tarif edilmiş olduğu yapısal değişkenlere ek olarak, dengeden termodinamik sistem sapmasını tarif etmek için adı verilen iç değişkenleri tanıtılmıştır. Denge durumu kararlı olarak kabul edilir. ve sistemin dengesizliğinin ölçüleri olarak iç değişkenlerin ana özelliği , onların kaybolma eğilimidir; yerel kaybolma yasası, her bir iç değişken için gevşeme denklemi olarak yazılabilir.

 

 

 

 

( 1 )

karşılık gelen değişkenlerin gevşeme süresi nerede . Başlangıç ​​değerinin sıfıra eşit olduğunu düşünmek uygundur .

Açık denge dışı sistemlerin termodinamiğine temel katkı, Ilya Prigogine tarafından , kendisi ve işbirlikçileri kimyasal olarak reaksiyona giren madde sistemlerini araştırdıklarında yapıldı. Bu tür sistemlerin durağan halleri, çevre ile hem parçacıkların hem de enerjinin değiş tokuşu nedeniyle vardır. Prigogine, kitabının üçüncü bölümünün 8. bölümünde, verilen hacim ve sabit sıcaklıkta düşünülen açık sistemin entropi değişimine üç katkıyı belirtmiştir . Entropi artışı formüle göre hesaplanabilir

 

 

 

 

( 1 )

Denklemin sağ tarafındaki ilk terim, sisteme bir termal enerji akışı sunar; maddelerin partikül akımı ile gelen sisteme enerjinin son dönem bir akım pozitif ya da negatif olabilir, bir kimyasal potansiyel madde . (1)'deki orta terim , iç değişkenlerin gevşemesinden kaynaklanan enerji kaybını ( entropi üretimi ) gösterir . Prigogine tarafından araştırılan kimyasal olarak reaksiyona giren maddeler söz konusu olduğunda, iç değişkenler kimyasal reaksiyonların tamamlanmamışlığının ölçüleri, yani kimyasal reaksiyonlarla ele alınan sistemin ne kadar denge dışında olduğunun ölçüleri gibi görünmektedir. Teori, denge durumundan herhangi bir sapmayı bir iç değişken olarak ele alacak şekilde genelleştirilebilir, böylece denklem (1)'deki iç değişkenler kümesinin, yalnızca içinde meydana gelen tüm kimyasal reaksiyonların tamlık derecelerini tanımlayan miktarlardan oluştuğunu düşünürüz. sistem değil, aynı zamanda sistemin yapısı, sıcaklık gradyanları, madde konsantrasyonlarının farkı vb.

Açık sisteme Prigogine yaklaşımı, canlı nesnelerin büyümesini ve gelişimini termodinamik terimlerle tanımlamaya izin verir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Kaynaklar

  • Abbott, MM; van Hess, HG (1989). Kimyasal Uygulamalar ile Termodinamik (2. baskı). McGraw Tepesi.
  • Callen, HB (1960/1985). Termodinamik ve Termostatistiğe Giriş , (1. baskı 1960) 2. baskı 1985, Wiley, New York, ISBN  0-471-86256-8 .
  • Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (2008). Fiziğin Temelleri (8. baskı). Wiley.
  • Moran, Michael J.; Shapiro, Howard N. (2008). Mühendislik Termodinamiğinin Temelleri (6. baskı). Wiley.