เป็นเวลานานนักฟิสิกส์และตัวแทนของวิทยาศาสตร์อื่น ๆ มีวิธีอธิบายสิ่งที่พวกเขาสังเกตในระหว่างการทดลอง การขาดฉันทามติและการมีอยู่ของคำศัพท์จำนวนมากที่ "เข้าใจผิด" นำไปสู่ความสับสนและความเข้าใจผิดในหมู่เพื่อนร่วมงาน เมื่อเวลาผ่านไป ฟิสิกส์แต่ละสาขาได้รับคำจำกัดความและหน่วยการวัดที่จัดตั้งขึ้น นี่คือลักษณะที่พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ปรากฏขึ้น โดยอธิบายการเปลี่ยนแปลงระดับมหภาคส่วนใหญ่ในระบบ
คำจำกัดความ
พารามิเตอร์สถานะหรือพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์คือปริมาณทางกายภาพจำนวนหนึ่งที่รวมกันและแต่ละค่าแยกกันสามารถกำหนดลักษณะเฉพาะของระบบที่สังเกตได้ ซึ่งรวมถึงแนวคิดเช่น:
- อุณหภูมิและความดัน
- ความเข้มข้น การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก
- เอนโทรปี;
- เอนทาลปี;
- พลังงานกิ๊บส์และเฮล์มโฮลทซ์ และอื่นๆ อีกมากมาย
เลือกพารามิเตอร์แบบเข้มข้นและกว้างขวาง กว้างขวางคือสิ่งที่ขึ้นอยู่กับมวลของระบบเทอร์โมไดนามิกโดยตรงและเข้มข้น - ซึ่งกำหนดโดยเกณฑ์อื่น ๆ ไม่ใช่พารามิเตอร์ทั้งหมดที่มีความเป็นอิสระเท่ากัน ดังนั้น ในการคำนวณสถานะสมดุลของระบบ จึงจำเป็นต้องกำหนดพารามิเตอร์หลายตัวพร้อมกัน
นอกจากนี้ยังมีความขัดแย้งทางคำศัพท์ในหมู่นักฟิสิกส์ ลักษณะทางกายภาพที่เหมือนกันสามารถเรียกได้โดยผู้เขียนต่างกันทั้งกระบวนการหรือพิกัดหรือปริมาณหรือพารามิเตอร์หรือแม้แต่คุณสมบัติ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับเนื้อหาที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ แต่ในบางกรณีก็มีคำแนะนำที่เป็นมาตรฐานซึ่งผู้ร่างเอกสาร ตำราเรียน หรือคำสั่งต่างๆ ต้องปฏิบัติตาม
การจำแนก
พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์มีหลายประเภท ตามย่อหน้าแรกเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าปริมาณทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็น:
- กว้างขวาง (สารเติมแต่ง) - สารดังกล่าวเป็นไปตามกฎของการบวก นั่นคือ คุณค่าของมันขึ้นอยู่กับจำนวนของส่วนผสม
- เข้มข้น - พวกมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณของสารที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา เนื่องจากพวกมันจะเรียงตัวกันในระหว่างการโต้ตอบ
ตามเงื่อนไขของสารที่ประกอบกันเป็นระบบ ปริมาณสามารถแบ่งออกเป็นปริมาณที่อธิบายปฏิกิริยาของเฟสและปฏิกิริยาเคมี นอกจากนี้ต้องคำนึงถึงคุณสมบัติของสารตั้งต้นด้วย พวกเขาสามารถ:
- เทอร์โมเครื่องกล;
- เทอร์โมฟิสิกส์;
- เทอร์โมเคมี.
นอกจากนี้ ระบบเทอร์โมไดนามิกใด ๆ ก็ทำหน้าที่บางอย่าง ดังนั้นพารามิเตอร์จึงสามารถอธิบายลักษณะงานหรือความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยา และยังช่วยให้คุณสามารถคำนวณพลังงานที่จำเป็นในการถ่ายโอนมวลของอนุภาค
ตัวแปรสถานะ
สถานะของระบบใดๆ รวมถึงอุณหพลศาสตร์ สามารถกำหนดได้จากคุณสมบัติหรือคุณลักษณะร่วมกัน ตัวแปรทั้งหมดที่กำหนดโดยสมบูรณ์ในช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้นและไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าระบบมาถึงสถานะนี้อย่างไรเรียกว่าพารามิเตอร์สถานะทางอุณหพลศาสตร์ (ตัวแปร) หรือฟังก์ชันของรัฐ
ระบบจะถือว่าหยุดนิ่งหากฟังก์ชันตัวแปรไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป สภาวะคงตัวรุ่นหนึ่งคือสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ แม้แต่การเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดในระบบก็เป็นกระบวนการอยู่แล้ว และสามารถประกอบด้วยพารามิเตอร์สถานะทางอุณหพลศาสตร์ที่แปรผันได้ตั้งแต่หนึ่งถึงหลายตัวแปร ลำดับที่สถานะของระบบเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเรียกว่า "เส้นทางกระบวนการ"
ขออภัย ที่คำศัพท์ยังคงสับสนอยู่ เนื่องจากตัวแปรเดียวกันสามารถเป็นได้ทั้งอิสระและเป็นผลจากการเพิ่มฟังก์ชันของระบบหลายๆ อย่าง ดังนั้น คำศัพท์เช่น "ฟังก์ชันสถานะ" "พารามิเตอร์สถานะ" "ตัวแปรสถานะ" จึงถือเป็นคำพ้องความหมายได้
อุณหภูมิ
หนึ่งในพารามิเตอร์อิสระของสถานะของระบบเทอร์โมไดนามิกคืออุณหภูมิ เป็นค่าที่กำหนดปริมาณพลังงานจลน์ต่อหน่วยของอนุภาคในระบบอุณหพลศาสตร์ในสมดุล
ถ้าเราเข้าใกล้คำจำกัดความของแนวคิดจากมุมมองของเทอร์โมไดนามิกส์ อุณหภูมิจะเป็นค่าผกผันผกผันกับการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีหลังจากเพิ่มความร้อน (พลังงาน) เข้าสู่ระบบ เมื่อระบบอยู่ในสภาวะสมดุล ค่าอุณหภูมิจะเท่ากันสำหรับ "ผู้เข้าร่วม" ทั้งหมด หากอุณหภูมิแตกต่างกัน ร่างกายที่ร้อนกว่าจะระบายพลังงานและร่างกายที่เย็นกว่าจะดูดกลืนพลังงาน
มีระบบเทอร์โมไดนามิกที่เมื่อเติมพลังงาน ความผิดปกติ (เอนโทรปี) ไม่เพิ่มขึ้น แต่จะลดลง นอกจากนี้ หากระบบดังกล่าวมีปฏิสัมพันธ์กับร่างกายที่มีอุณหภูมิมากกว่าตัวมันเอง ก็จะปล่อยพลังงานจลน์ให้กับร่างกายนี้ ไม่ใช่ในทางกลับกัน (ตามกฎของอุณหพลศาสตร์)
ความดัน
ความดันคือปริมาณที่แสดงลักษณะของแรงที่กระทำต่อวัตถุซึ่งตั้งฉากกับพื้นผิวของมัน ในการคำนวณพารามิเตอร์นี้ จำเป็นต้องแบ่งจำนวนแรงทั้งหมดตามพื้นที่ของวัตถุ หน่วยของแรงนี้จะเป็นปาสกาล
ในกรณีของพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ ก๊าซจะใช้ปริมาตรทั้งหมดที่มีอยู่ และนอกจากนี้ โมเลกุลที่ทำให้มันเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่องและชนกันและกับภาชนะที่พวกมันตั้งอยู่. ผลกระทบเหล่านี้เป็นตัวกำหนดความดันของสารบนผนังของเรือหรือในร่างกายที่วางอยู่ในแก๊ส แรงกระจายอย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทางอย่างแม่นยำเพราะคาดเดาไม่ได้การเคลื่อนไหวของโมเลกุล หากต้องการเพิ่มแรงดัน คุณต้องเพิ่มอุณหภูมิของระบบ และในทางกลับกัน
พลังงานภายใน
พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์หลักที่ขึ้นอยู่กับมวลของระบบ ได้แก่ พลังงานภายใน ประกอบด้วยพลังงานจลน์อันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสาร เช่นเดียวกับพลังงานศักย์ที่ปรากฏขึ้นเมื่อโมเลกุลมีปฏิกิริยาต่อกัน
พารามิเตอร์นี้ชัดเจน กล่าวคือ ค่าพลังงานภายในจะคงที่ทุกครั้งที่ระบบอยู่ในสถานะที่ต้องการ ไม่ว่าจะไปถึงสถานะไหนก็ตาม
เปลี่ยนพลังงานภายในไม่ได้ คือผลรวมของความร้อนที่ระบบจ่ายให้และงานที่ผลิต สำหรับกระบวนการบางอย่าง จะมีการพิจารณาพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น อุณหภูมิ เอนโทรปี ความดัน ศักย์ และจำนวนโมเลกุล
เอนโทรปี
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีของระบบที่แยกได้ไม่ลดลง อีกสูตรหนึ่งอ้างว่าพลังงานไม่เคยผ่านจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเป็นอุณหภูมิที่ร้อนกว่า ในทางกลับกัน สิ่งนี้ปฏิเสธความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องเคลื่อนไหวตลอดเวลา เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายเทพลังงานทั้งหมดที่มีให้กับร่างกายในการทำงาน
แนวคิดของ "เอนโทรปี" ถูกนำมาใช้ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 จากนั้นถูกมองว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของปริมาณความร้อนต่ออุณหภูมิของระบบ แต่คำจำกัดความนี้ใช้ได้เฉพาะกับกระบวนการที่สมดุลอยู่ตลอดเวลา จากนี้ เราสามารถสรุปได้ดังนี้: หากอุณหภูมิของร่างกายที่ประกอบเป็นระบบมีแนวโน้มเป็นศูนย์ เอนโทรปีก็จะเท่ากับศูนย์ด้วย
เอนโทรปีเป็นพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ของสถานะก๊าซใช้เป็นตัวบ่งชี้ของการวัดความสุ่ม ความสุ่มของการเคลื่อนที่ของอนุภาค ใช้เพื่อกำหนดการกระจายของโมเลกุลในพื้นที่และภาชนะหนึ่ง หรือเพื่อคำนวณแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของปฏิกิริยาระหว่างไอออนของสาร
เอนทัลปี
เอนทัลปีคือพลังงานที่สามารถเปลี่ยนเป็นความร้อน (หรือทำงาน) ที่ความดันคงที่ได้ นี่คือศักยภาพของระบบที่อยู่ในสมดุลหากผู้วิจัยรู้ระดับเอนโทรปี จำนวนโมเลกุล และความดัน
หากระบุพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ของก๊าซในอุดมคติ แทนที่จะระบุเอนทัลปี จะใช้ถ้อยคำว่า "พลังงานของระบบขยาย" เพื่อให้ง่ายต่อการอธิบายค่านี้ให้กับตัวเราเอง เราสามารถจินตนาการถึงภาชนะที่บรรจุก๊าซซึ่งอัดแน่นด้วยลูกสูบ (เช่น เครื่องยนต์สันดาปภายใน) ในกรณีนี้ เอนทาลปีจะเท่ากับพลังงานภายในของสารไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงงานที่ต้องทำเพื่อให้ระบบอยู่ในสถานะที่ต้องการด้วย การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์นี้ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของระบบเท่านั้น และวิธีการรับพารามิเตอร์นั้นไม่สำคัญ
พลังงานกิ๊บส์
พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์และกระบวนการโดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับศักยภาพพลังงานของสารที่ประกอบเป็นระบบ ดังนั้นพลังงานกิ๊บส์จึงเทียบเท่ากับพลังงานเคมีทั้งหมดของระบบ มันแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงใดจะเกิดขึ้นในระหว่างปฏิกิริยาเคมีและสารจะมีปฏิกิริยาหรือไม่
การเปลี่ยนแปลงปริมาณพลังงานและอุณหภูมิของระบบในระหว่างการทำปฏิกิริยาจะส่งผลต่อแนวคิดเช่นเอนทาลปีและเอนโทรปี ความแตกต่างระหว่างพารามิเตอร์ทั้งสองนี้จะเรียกว่าพลังงานกิ๊บส์หรือศักย์ความร้อนไอโซบาริก
จะสังเกตเห็นค่าต่ำสุดของพลังงานนี้หากระบบอยู่ในสภาวะสมดุล โดยที่ความดัน อุณหภูมิ และปริมาณของพลังงานจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง
พลังงานเฮล์มโฮลทซ์
พลังงาน Helmholtz (ตามแหล่งอื่น - แค่พลังงานฟรี) คือปริมาณพลังงานที่อาจเกิดขึ้นซึ่งระบบจะสูญเสียไปเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับร่างกายที่ไม่รวมอยู่ในนั้น
แนวคิดเรื่องพลังงานฟรีของเฮล์มโฮลทซ์มักใช้เพื่อกำหนดว่าระบบสามารถทำงานได้สูงสุดเท่าใด นั่นคือความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อสารเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง
หากระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (นั่นคือ มันไม่ทำงานใดๆ) ระดับพลังงานอิสระจะน้อยที่สุด ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น อุณหภูมิความดันจำนวนอนุภาคก็ไม่เกิดขึ้น