Termodynamikkens hovedsætninger

Grundbeskrivelse

Størstedelen af termodynamikken (også kaldet varmelære) blev udviklet i 1800 tallet i forbindelse med forbedringer på datidens dampmaskiner. Man begyndte at interessere sig for, hvilken volumen, tryk og varme, der gav det optimale udbytte. Af disse overvejelser opstod Termodynamikken, der omfatter varme og omdannelsen af varme til energi og arbejde.

Termodynamikken behandler væsker, gasser og faste stoffer som makroskopiske objekter. Makroskopisk vil sige, at der ikke tages hensyn til atomstrukturen af for eksempel en krystal. I stedet ser man på den, som var den ét stort materiale.

Den klassiske termodynamik handler hovedsageligt om systemer i termodynamisk ligevægt, og beskriver udveksling af varme mellem lukkede systemer (se højreboks).

Uddybende beskrivelse

Grundlæggende er termodynamikken forklaret i de fire termodynamiske hovedsætninger, som er:

0. hovedsætning - termodynamisk ligevægt

Hvis to systemer, der ikke er i termodynamisk ligevægt med hinanden, kommer i kontakt, vil de udveksle energi og stof, indtil de har samme energi. Hvis de derimod er i ligevægt, forbliver de uændrede. Den nulte sætning siger så, at hvis to systemer er i termodynamisk ligevægt med et tredje, vil de også være i ligevægt med hinanden. I praksis betyder termodynamisk ligevægt, at objekterne har samme temperatur.

Termodynamisk ligevægt i et termometer. (Chano Birkelind)

Denne simple observation er grundlaget for opfindelsen af termometret.  Når temperaturen hæves eller sænkes, ændres mange af et stofs fysiske egenskaber.

Kviksølv, som man bruger i et gammeldags termometer, får større volumen, når det varmes op. Man har så defineret en temperaturskala ved at bringe et termometer i ligevægt med andre systemer. Et kviksølvstermometer er konstrueret sådan, at kviksølvets volumen ved vands frysepunkt er sat til 0 \(^{\circ} C\) og 100 \(^{\circ} C\) ved kogepunktet.

Når man bringer termometret i kontakt med et andet system (for eksempel under tungen), kan man ved at aflæse, hvor meget volumen af kviksølvet har ændret sig aflæse det andet systems temperatur. Principielt ændrer termometret også systemets temperatur, men som oftest er det så lidt, at man kan se bort fra det.

1. hovedsætning - energibevarelse

Et fundamentalt begreb i fysikken er energibevarelse. Energi kan hverken opstå eller forsvinde af sig selv. Man hører ofte folk sige, at de har brugt energi, hvis de for eksempel har løbet en tur. Men det de egentlig burde sige er, at de har omdannet energi. Når den mad man spiser fordøjes brydes de kemiske bindinger og det frigiver energi i kroppen. Den energi omdannes så til varmeenergi og mekanisk energi, når man løber.

Med andre ord er ændringen i energi lig den tilførte varme minus det udførte arbejde.
Matematisk udtrykt er den 1. hovedsætning
\[\Delta U = Q - W\]
Hvor \(\Delta U\) er tilvæksten i indre energi, Q varmen, der tilføres til systemet og W arbejdet udført af systemet.

I kemiske reaktioner og processer ser man ofte et '+' i stedet for '-'. Det er stadig samme ligning, men arbejdet er blot defineret, som arbejdet, der udføres på systemet.

Opvarmning af en gas i en beholder med et bevægeligt stempel. Venstre. Inden systemet påvirkes. Højre. Der tilføres varme til systemet. Gassen får en højere energi, udvider sig og udfører et arbejde på systemet ved at løfte stemplet. Samtidig stiger entropien i situationen til højre, da gaspartiklerne nu har mere plads og bevæger sig hurtigere. (Chano Birkelind)

2. hovedsætning - Entropi og varmetransport

Den 2. hovedsætning handler om transport af varme og entropien, der er en slags mål for graden af uorden i et system.
\[\Delta S = \frac{Q}{T}\]
Hvor \(\Delta S\) er ændringen i entropi, Q den absorberede varme og T den absolutte temperatur, der måles i Kelvin (K) og er \(T=t_{C}\frac{K}{^{\circ} C}+273,15 ~K\), Hvor \(t_{C}\) er temperaturen i celcius.
Hvis man overlader et system til sig selv og ikke påvirker det, vil graden af uorden være uforandret eller voksende.

Man kan forestille sig et rodet værelse, der låses af de næste 10 år og derefter åbnes. Efter de 10 år er det stadig lige rodet - måske endda værre, fordi noget er væltet. Den eneste måde at nedbringe graden af uorden er altså at rydde op - og det kræver energi! Men den energ,i man omdanner, efterlader blot et nyt sted (her bl.a. kroppen) med tilsvarende eller større entropi (det skal dog ikke bruges som undskyldning for at lade hjemmet rode). 

Med andre ord er entropien konstant eller voksende i et lukket system.
\[\Delta S_{lukket~ system} \ge 0\]
Det betyder så også, at varme ikke spontant kan strømme fra en kold region til en varmere. For at det kunne lade sig gøre, måtte entropien af sig selv blive mindre.

3. hovedsætning - Absolut nulpunkt

Det absolutte nulpunkt er den teoretisk lavest mulige temperatur man kan opnå i et makroskopisk system. Den er sat til \(0 ~K\), som svarer til \(-273,15~ ^{\circ}C\). 
Det absolutte nulpunkt er karakteriseret ved, at atomer og molekyler er i deres grundtilstand. Det vil sige, at de hver for sig har lavest mulig energi, og systemet som et hele har den lavest mulige kinetiske energi (bevægelses energi).

Når temperaruren i et system nærmer sig det absolutte nulpunkt, vil entropien nærme sig et minimum. Entropi kan i dette tilfælde ses som en slags mål for, hvor mange mulige måder et system kan arrangeres på. Det vil sige, at for et system med lav entropi vil mulighederne være få.

Sagt på en anden måde - for en perfekt krystal ved det absolutte nulpunkt er entropien nul, da alle atomerne har en fast plads og ligger stille.

Praktisk set kan det ikke lade sig gøre at nå det absolutte nulpunkt, men man kan komme ganske tæt på.

Chano Birkelind