termodynamika

termodynamika

[gr.],

dział fizyki obejmujący badanie zjawisk cieplnych, zachodzących w układach makroskopowych.

Ze względu na metodę ujmowania zjawisk fiz. dzieli się termodynamikę na fenomenologiczną i statystyczną. T. fenomenologiczna nie uwzględnia faktu, że ciała tworzące układy termodynamiczne są zbudowane z mikrocząstek (atomów, cząsteczek, jonów); opiera się na założeniu ciągłości zjawisk zachodzących we wnętrzu makroskopowych układów i opisuje układy za pomocą ich właściwości fiz., wyznaczanych metodami doświadczalnymi; jej podstawę stanowią zasady termodynamiki, które są uogólnieniem wyników bardzo dużej liczby badań nad makroskopowymi właściwościami ciał. T. statystyczna zajmuje się układami makroskopowymi, traktowanymi jako zbiory dużej liczby mikrocząstek (fizyka statystyczna); to podejście pozwala na wyznaczanie parametrów układów makroskopowych metodami rachunkowymi na podstawie właściwości atomów i cząsteczek tworzących układ.

W ramach termodynamiki fenomenologicznej rozróżnia się termodynamikę procesów odwracalnych i termodynamikę procesów nieodwracalnych. Pierwsza z nich, zw. też t. klasyczną lub termostatyką, zajmuje się stanami równowagi układów makroskopowych oraz procesami odwracalnymi (równowagowymi), które są teoret. modelem stanowiącym graniczny przypadek procesów rzeczywistych (termodynamiczny proces, termodynamiczny układ). T. procesów nieodwracalnych (nierównowagowych) jest teorią stanowiącą rozszerzenie termodynamiki klas., opisującą układy makroskopowe w stanach oddalonych od równowagi termodynamicznej; niektóre parametry charakteryzujące takie układy są często (inaczej niż w termodynamice klas.) zależne od czasu i współrzędnych przestrzennych. Odchylenie parametrów od wartości odpowiadających stanowi równowagi (tzw. bodźce lub siły termodynamiczne, np. gradient temp. lub ciśnienia, różnica potencjałów elektrochem.) są przyczyną zachodzenia w układzie nieodwracalnych procesów, takich jak dyfuzja, przepływ ładunku elektr., reakcje chem. (transportu procesy). Podstawowe zależności dla procesów nieodwracalnych formułuje zasada Onsangera.

Efekty cieplne towarzyszą prawie wszystkim procesom (mech., chem., elektr., magnet. i in.), podczas których zmienia się stan wewn. ciał. Rozróżnia się zatem termodynamikę chemiczną, termodynamikę techniczną, zjawisk magnet., atmosfery itd.

Rozwój nowoż. nauki o zjawiskach cieplnych rozpoczął się w 1. poł. XVIII w. od stworzenia termometrii, a następnie kalorymetrii. Sformułowanie I i II zasady termodynamiki (2. poł. XIX w.) dało pocz. termodynamice klas., uzupełnionej 1906 postulatem, określającym zachowanie się ciał w temperaturze bliskiej temp. zera bezwzględnego, zw. III zasadą termodynamiki. Prace L. Onsangera (1931) zapoczątkowały rozwój termodynamiki procesów nieodwracalnych. Pod koniec XIX w. zaczęła się rozwijać termodynamika statystyczna. Pierwsze teorie statyst. opierały się na założeniu, że dobrze znane prawa klas. mechaniki układu punktów materialnych stosują się również do cząsteczek i atomów. Z praw tych otrzymano metodami statyst. wiele wniosków, na ogół poprawnie opisujących właściwości substancji rzeczywistych. Jednak dopiero zastosowanie mechaniki kwantowej i kwantowej teorii statyst. do opisu zachowania się cząstek mikroskopowych doprowadziło do stworzenia pełnej termodynamiki statyst. gazów, ciał stałych i cieczy.