Θερμοδυναμικό σύστημα
Στο κεφάλαιο της Θερμοδυναμικής θα χρησιμοποιούμε πολύ συχνά τον όρο θερμοδυναμικό σύστημα. Για να τον κατανοήσουμε, ξεκινάμε από τη γενικότερη έννοια του συστήματος, η οποία αποτελεί θεμελιώδες εργαλείο σε όλη τη Φυσική.
Η έννοια του συστήματος και του περιβάλλοντος
Όταν θέλουμε να μελετήσουμε ένα φυσικό φαινόμενο, δεν μπορούμε να μελετήσουμε ολόκληρο τον κόσμο ταυτόχρονα. Απομονώνουμε νοητά ένα κομμάτι του και εστιάζουμε σε αυτό.
Σύστημα ονομάζεται ένα τμήμα του φυσικού κόσμου που διαχωρίζεται από τον υπόλοιπο κόσμο με πραγματικά ή νοητά τοιχώματα.
Περιβάλλον του συστήματος ονομάζεται ο υπόλοιπος φυσικός κόσμος, δηλαδή ό,τι βρίσκεται έξω από τα τοιχώματα που οριοθετούν το σύστημα.
Σύστημα και περιβάλλον μαζί αποτελούν το σύνολο του φυσικού κόσμου που μας ενδιαφέρει.
Τα τοιχώματα που οριοθετούν ένα σύστημα μπορεί να είναι:
- πραγματικά, όπως τα τοιχώματα ενός δοχείου που περιέχει ένα αέριο,
- νοητά, δηλαδή μια φανταστική επιφάνεια που χαράζουμε εμείς για να ξεχωρίσουμε το τμήμα που μελετάμε.
Σε κάθε περίπτωση, η οριοθέτηση του συστήματος είναι δική μας επιλογή.
Μηχανικό και θερμοδυναμικό σύστημα
Η διάκριση ενός συστήματος ως μηχανικού ή θερμοδυναμικού δεν εξαρτάται από το ίδιο το σύστημα, αλλά από τα μεγέθη με τα οποία επιλέγουμε να το περιγράψουμε.
Ένα σύστημα χαρακτηρίζεται μηχανικό όταν, για την περιγραφή του, χρησιμοποιούμε μόνο μεγέθη της Μηχανικής, όπως:
- δύναμη ,
- ταχύτητα ,
- επιτάχυνση ,
- ορμή , κ.λπ.
Ένα σύστημα χαρακτηρίζεται θερμοδυναμικό όταν, για την περιγραφή του, χρησιμοποιούμε και θερμοδυναμικά μεγέθη, όπως:
- θερμότητα ,
- θερμοκρασία ,
- εσωτερική ενέργεια , και άλλα.
Το ίδιο φυσικό αντικείμενο μπορεί να αντιμετωπιστεί είτε ως μηχανικό είτε ως θερμοδυναμικό σύστημα. Το αν ένα σύστημα θεωρείται θερμοδυναμικό εξαρτάται από το αν στην περιγραφή του υπεισέρχονται θερμοδυναμικά μεγέθη (θερμότητα, θερμοκρασία, εσωτερική ενέργεια), και όχι από τη φύση του ίδιου του αντικειμένου.
Τα συστήματα που θα μελετήσουμε
Από όλα τα δυνατά θερμοδυναμικά συστήματα, στο πλαίσιο αυτό περιοριζόμαστε στα απλούστερα.
Θα ασχοληθούμε με τα απλούστερα θερμοδυναμικά συστήματα, δηλαδή με αέρια που βρίσκονται μέσα σε δοχεία, στο εσωτερικό των οποίων δε γίνονται χημικές αντιδράσεις.
Ο περιορισμός αυτός είναι σημαντικός, διότι μας επιτρέπει να περιγράψουμε την κατάσταση του αερίου με λίγα μόνο μεγέθη, χωρίς να χρειάζεται να παρακολουθούμε μεταβολές στη χημική του σύσταση.
Καταστατικά μεγέθη και μακροσκοπική περιγραφή
Όταν μελετάμε ένα αέριο ως θερμοδυναμικό σύστημα, δεν μας ενδιαφέρει η θέση και η ταχύτητα του κάθε μορίου ξεχωριστά (μικροσκοπική περιγραφή). Αντίθετα, περιγράφουμε την κατάσταση του αερίου με λίγα μεγέθη που αναφέρονται στο σύστημα ως σύνολο. Αυτή η περιγραφή ονομάζεται μακροσκοπική.
Η κατάσταση ενός αερίου περιγράφεται μακροσκοπικά από τα καταστατικά μεγέθη:
- την πίεση ,
- τον όγκο ,
- τη θερμοκρασία .
Τα μεγέθη αυτά καθορίζουν πλήρως την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το σύστημα.
Για mol ιδανικού αερίου, τα τρία καταστατικά μεγέθη δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, αλλά συνδέονται με την καταστατική εξίσωση:
όπου η παγκόσμια σταθερά των αερίων. Επομένως, γνωρίζοντας δύο από τα μεγέθη , προσδιορίζεται και το τρίτο.
- Η μικροσκοπική περιγραφή ασχολείται με τα επιμέρους μόρια (θέσεις, ταχύτητες). Είναι αδύνατη στην πράξη, λόγω του τεράστιου πλήθους μορίων.
- Η μακροσκοπική περιγραφή χρησιμοποιεί λίγα συνολικά μεγέθη () που μετρώνται εύκολα στο εργαστήριο.
Η Θερμοδυναμική στηρίζεται κυρίως στη μακροσκοπική περιγραφή.
Θερμικά μονωμένο σύστημα
Όπως ένα μηχανικό σύστημα μπορεί να είναι απομονωμένο από εξωτερικές δυνάμεις, έτσι και ένα θερμοδυναμικό σύστημα μπορεί να είναι απομονωμένο ως προς τη μεταφορά θερμότητας.
Ένα θερμοδυναμικό σύστημα χαρακτηρίζεται θερμικά μονωμένο (ή απλά μονωμένο) όταν τα τοιχώματα του δοχείου δεν επιτρέπουν τη μεταφορά θερμότητας από το αέριο προς το περιβάλλον ή αντίστροφα.
Σε ένα θερμικά μονωμένο σύστημα δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον:
Δηλαδή το αέριο ούτε αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον ούτε απορροφά θερμότητα από αυτό.
Η έννοια του θερμοδυναμικού συστήματος και των καταστατικών μεγεθών είναι το θεμέλιο για όσα ακολουθούν: την ισορροπία του συστήματος, τις μεταβολές του από τη μία κατάσταση στην άλλη και την εφαρμογή του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου. Η σωστή κατανόηση του τι είναι σύστημα, περιβάλλον και θερμική μόνωση είναι απαραίτητη για όλο το υπόλοιπο κεφάλαιο.