Termodynamika

Šablona:Vědní obor Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá teplem, teplotou a jejich vztahem k energii, práci, záření a vlastnostem hmoty. Zkoumá, jak se energie přeměňuje z jedné formy na druhou a jak tyto změny ovlivňují makroskopické systémy. Její principy jsou popsány čtyřmi základními zákony, které platí univerzálně a nezávisí na detailech vnitřní struktury látek.

Historický vývoj termodynamiky byl úzce spjat s průmyslovou revolucí a snahou o zvýšení efektivity prvních parních strojů. Za klíčovou práci jsou považovány "Úvahy o hybné síle ohně" francouzského fyzika Sadiho Carnota z roku 1824, který je často nazýván otcem termodynamiky. Samotný termín "termodynamika" poprvé použil William Thomson (lord Kelvin) v roce 1849.

Základní pojmy

• Termodynamický systém: Přesně vymezená část prostoru nebo množství hmoty, která je předmětem zkoumání. Může být otevřený (vyměňuje s okolím energii i hmotu), uzavřený (vyměňuje pouze energii) nebo izolovaný (nevyměňuje ani energii, ani hmotu).
• Stavové veličiny: Fyzikální veličiny, které popisují makroskopický stav systému, jako jsou tlak, objem, teplota a vnitřní energie. Jejich změna závisí pouze na počátečním a koncovém stavu, nikoli na cestě, jakou systém mezi stavy prošel.
• Termodynamický děj: Proces, při kterém dochází ke změně stavových veličin systému. Mezi základní děje patří izotermický děj (konstantní teplota), izobarický děj (konstantní tlak), izochorický děj (konstantní objem) a adiabatický děj (bez výměny tepla s okolím).
• Termodynamická rovnováha: Stav, ve kterém se makroskopické vlastnosti systému nemění v čase a neprobíhají v něm žádné samovolné procesy.

Termodynamické zákony

Základy termodynamiky stojí na čtyřech hlavních zákonech, které byly formulovány v 19. a na začátku 20. století.

Nultý zákon termodynamiky

Nultý zákon se zabývá tepelnou rovnováhou. Konstatuje, že pokud jsou dva systémy (A a B) v tepelné rovnováze s třetím systémem (C), pak jsou v tepelné rovnováze i navzájem (A a C). Tento zákon, ačkoliv byl formulován až po prvním a druhém, je fundamentální, protože umožňuje definovat a měřit teplotu.

První zákon termodynamiky

Jedná se o formulaci zákona zachování energie pro termodynamické systémy. Uvádí, že změna vnitřní energie (ΔU) uzavřeného systému se rovná součtu tepla (Q) dodaného systému a práce (W) vykonané okolím na systému.

ΔU = Q + W

Zákon tedy říká, že energie nemůže být vytvořena ani zničena, pouze přeměněna z jedné formy na druhou. Z tohoto zákona vyplývá nemožnost existence perpetuum mobile prvního druhu – stroje, který by konal práci bez spotřeby energie.

Druhý zákon termodynamiky

Druhý zákon určuje směr, kterým samovolně probíhají přírodní děje. Zavádí klíčovou stavovou veličinu zvanou entropie (S), která je mírou neuspořádanosti nebo náhodnosti systému. Zákon má několik ekvivalentních formulací:

• Clausiova formulace: Teplo nemůže samovolně přecházet z chladnějšího tělesa na teplejší.
• Thomsonova (Kelvinova) formulace: Není možné sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by veškeré teplo přijaté od ohřívače přeměnil na práci.
• Entropická formulace: V izolovaném systému celková entropie nikdy neklesá; při nevratných dějích roste, při vratných zůstává konstantní.

Tento zákon vysvětluje, proč jsou některé procesy nevratné (např. smíchání dvou plynů) a proč má energie tendenci se rozptylovat (disipovat). Znamená to také, že žádný tepelný stroj nemůže mít 100% účinnost.

Třetí zákon termodynamiky

Tento zákon se týká chování systémů při teplotě blízké absolutní nule (0 Kelvinů, tj. -273,15 °C). Uvádí, že entropie dokonale krystalické látky se při absolutní nule blíží nule. Z toho plyne důležitý důsledek:

• Teploty absolutní nuly nelze dosáhnout konečným počtem kroků.

Tento zákon umožňuje stanovit absolutní hodnoty entropie.

Aplikace

Termodynamika má široké uplatnění v mnoha vědních a technických oborech:

• Strojírenství: Návrh a analýza spalovacích motorů, turbín, chladicích zařízení a tepelných čerpadel.
• Chemie: Termochemie studuje tepelné změny při chemických reakcích a předpovídá jejich uskutečnitelnost a rovnovážný stav.
• Biologie: Biotermodynamika popisuje energetické přeměny v živých organismech, jako je metabolismus.
• Meteorologie: Popisuje procesy v atmosféře, jako je vznik mraků a větrů.
• Astrofyzika: Vysvětluje strukturu a vývoj hvězd a vesmíru.
• Materiálové vědy: Studium fázových přechodů a vlastností materiálů při různých teplotách.