Operació termodinàmica

Una operació termodinàmica és una manipulació imposta externament que afecta a un sistema termodinàmic. El canvi pot ser en la conexió o en la paret entre un sistema termodinàmic i les seues afores, o en el valor d'alguna variable en l'entorn que està en contacte en una paret del sistema que permet la transferència de la gran cantitat que pertany a eixa variable. Se supon en la termodinàmica que l'operació es realisa ignorant qualsevol informació microscòpica pertinent.

Una operació termodinàmica requerix una contribució d'una agència externa independent, que no prové de les propietats passives dels sistemes. Potser la primera expressió de la distinció entre una operació termodinàmica i un procés termodinàmic està en la declaració de Kelvin de la segona llei de la termodinàmica : "És impossible, per mig d'una agència de material inanimado, derivar un efecte mecànic de qualsevol part de la matèria gelant-la per baix de la temperatura dels objectes circumdants ". Una seqüència d'events que varen ocórrer d'una atra manera que "per mig d'una agència de material inanimado" implicaria una acció d'una agència d'animació, o a lo manco una agència externa independent. Tal agència podria impondre algunes operacions termodinàmiques. Per eixemple, eixes operacions podrien crear una bomba de calor, que per supost compliria en la segona llei. El dimoni de Maxwell realisa un tipo d'operació termodinàmica extremadament idealizada i naturalment irrealizable.

Edward A. Guggenheim utilisa una expressió de llenguage ordinari per a una operació termodinàmica: "manipular" els cossos.

Distinció entre operació termodinàmica i procés termodinàmic

Una operació termodinàmica típica és el canvi de posició d'un pistón impost externament, per a alterar el volum del sistema d'interés. Una atra operació termodinàmica és l'eliminació d'una paret inicialment separadora, una manipulació que unix dos sistemes en un sol sistema no dividit. Un procés termodinàmic típic consistix en una redistribució que distribuïx una cantitat conservada entre un sistema i el seu entorn a través d'una paret prèviament impermeable pero recentment semipermeable entre ells.

De manera més general, un procés es pot considerar com una transferència de certa cantitat que es definix per un canvi d'una variable d'estat extensa del sistema, corresponent a una cantitat conservada, de modo que es puga escriure una equació de balanç de transferència. Segons Uffink, "... els processos termodinàmics solament tenen lloc despuix d'una intervenció externa en el sistema (per eixemple: llevar una partició, establir contacte tèrmic en un bany de calor, espentar un pistón, etc.). No corresponen al comportament autònom d'un sistema lliure ". Per eixemple, per a un sistema tancat d'interés, un canvi d'energia interna (una variable d'estat extensa del sistema) pot ser ocasionat per la transferència d'energia com a calor. En termodinàmica, la calor no és una variable d'estat extensa del sistema. No obstant, la cantitat de calor transferida es definix per la cantitat de treball adiabàtic que produiria el mateix canvi d'energia interna que la transferència de calor; L'energia transferida com a calor és la cantitat conservada.

Com a qüestió d'història, la distinció, entre una operació termodinàmica i un procés termodinàmic, no es troba en estos térmens en els relats de el XIX. Per eixemple, Kelvin va parlar d'una "operació termodinàmica" quan es referia a lo que la terminologia actual crida una operació termodinàmica seguida d'un procés termodinàmic. De nou, Planck solia parlar d'un "procés" quan nostra terminologia actual parlava d'una operació termodinàmica seguida d'un procés termodinàmic.

Els "processos naturals" de Planck varen contrastar en les accions del dimoni de Maxwell

Planck va sostindre que tots els "processos naturals" (és dir, en la terminologia actual, una operació termodinàmica seguida d'un procés termodinàmic) són irreversibles i procedixen en el sentit d'aument de la suma d'entropía. En estos térmens, seria per mig d'operacions termodinàmiques que, si poguera existir, el dimoni de Maxwell conduiria assunts antinaturals, que inclouen transicions en el sentit d'alluntar-se de l'equilibri termodinàmic. Són físicament concebibles fins a cert punt, pero no són processos naturals en el sentit de Planck. La raó és que les operacions termodinàmiques ordinàries es realisen en total ignorança dels tipos d'informació microscòpica que són essencials per als esforços del dimoni de Maxwell.

Eixemples d'operacions termodinàmiques.

Cicle termodinàmic

Un cicle termodinàmic es construïx com una seqüència d'etapes o passos. Cada etapa consistix en una operació termodinàmica seguida d'un procés termodinàmic. Per eixemple, una operació termodinàmica inicial d'un cicle d'un motor tèrmic de Carnot podria prendre's com l'ajust del cos de treball, a una temperatura alta coneguda, en contacte en un depòsit tèrmic a la mateixa temperatura (el depòsit calent), a través d'una paret que és permeable solament a la calor, mentres permaneix en contacte mecànic en el depòsit de treball. Esta operació termodinàmica és seguida per un procés termodinàmic, en el qual l'expansió del cos de treball és tan llenta que és efectivament reversible, mentres que l'energia interna es transferix com a calor des del depòsit calent al cos de treball i com a treball del cos de treball al depòsit de treball. Teòricament, el procés termina eventualment, i açò termina l'etapa. Després, el motor està subjecte a una atra operació termodinàmica, i el cicle continua en una atra etapa. El cicle es completa quan les variables termodinàmiques (l'estat termodinàmic) del cos de treball tornen als seus valors inicials.

Operacions termodinàmiques virtuals

Un dispositiu de refrigeració passa una substància de treball a través d'etapes successives, constituint en general un cicle. Açò es pot conseguir no movent o canviant les parets de separació al voltant d'un cos immòvil de substància de treball, sino més be movent un cos de substància de treball per a provocar l'exposició a una successió cíclica de parets immòvils immòvils. L'efecte és pràcticament un cicle d'operacions termodinàmiques. l'energia cinètica del moviment en massa de la substància de treball no és una característica important del dispositiu, i la substància de treball pot considerar-se pràcticament pràcticament com en repòs.

Composició de sistemes

Per a moltes cadenes de raonament en termodinàmica, és convenient pensar en la combinació de dos sistemes en un. Se supon que els dos sistemes, separats del seu entorn, estan yuxtaposts i (per un canvi de punt de vista) es considera que constituïxen un nou sistema compost. El sistema compost s'imagina en mig del seu nou entorn general. Açò establix la possibilitat d'interacció entre els dos subsistema i entre el sistema compost i el seu entorn general, per eixemple, permetent el contacte a través d'una paret en un tipo particular de permeabilidad. Este dispositiu conceptual es va introduir en la termodinàmica principalment en el treball de Carathéodory, i s'ha utilisat àmpliament des de llavors.

Aditividad de variables extensives

Si l'operació termodinàmica és l'eliminació total de parets, les variables d'estat extenses del sistema compost són les sumes respectives de les dels sistemes components. Açò es diu la aditividad de variables extenses.

Escalat d'un sistema

Un sistema termodinàmic que consistix en una sola fase, en absència de forces externes, en el seu propi estat d'equilibri termodinàmic intern, és homogéneu. Açò significa que el material en qualsevol regió del sistema pot intercanviar-se en el material de qualsevol regió congruent i paralela del sistema, i l'efecte és deixar el sistema sense canvis termodinàmics. L'operació termodinàmica del escalat és la creació d'un nou sistema homogéneu el tamany del qual és un múltiple del tamany antic i que les seues variables intensives tenen els mateixos valors. Tradicionalment, el tamany s'establix per mig de la massa del sistema, pero a voltes s'indica per mig de la entropía o el volum. Per a un sistema Φ determinat dau, escalat per l'número real λ per a produir un nou λΦ , es diu que una funció d'estat , X(.), tal que X(λΦ) = λ X(Φ), és extensa. Una funció com X es diu una funció homogénea de grau 1. Ací es mencionen dos conceptes diferents que compartixen el mateix nom: (a) el concepte matemàtic d'homogeneïtat de grau 1 en la funció d'escalat; i (b) el concepte físic d'homogeneïtat espacial del sistema. Succeïx que els dos estan d'acort ací, pero això no és perque són tautólogos. És un fet contingent de la termodinàmica.

Divisió i recomposición de sistemes

Si dos sistemes, S_a i S_b, tenen variables intensives idèntiques, una operació termodinàmica de removiment de parets pot compondre-les en un sol sistema, S, en les mateixes variables intensives. Si, per eixemple, les seues energies internes estan en la relació λ:(1−λ), llavors el sistema compost, S, té energia interna en la relació de 1:λ a la del sistema S_a. Per l'operació termodinàmica inversa, el sistema S pot dividir-se en dos subsistema de la manera òbvia. Com és habitual, estes operacions termodinàmiques es porten a terme en total ignorança dels estats microscòpics dels sistemes. Més particularment, és característic de la termodinàmica macroscòpica que la provabilitat es desvanix, que l'operació de divisió ocorre en un moment en que el sistema S troba en el tipo d'estat microscòpic transitori extrem previst per l'argument de recurrencia de Poincaré. Dita divisió i recomposición estan d'acort en la aditividad definida anteriorment de variables extenses.