termodinamika

termodinamika (engl. thermodynamics; njem. Thermodynamik; rus. термодинамика), područje fizike koje opisuje pretvorbe topline i drugih energijskih oblika (rad, unutarnja, potencijalna, kinetička i kem. energija) u ovisnosti o svojstvima tvari. Zasniva se na zakonima održanja, kojima pripadaju prvi glavni stavak termodinamike (zakon održanja energije) i zakon održanja mase, te na zakonu entropijske produkcije, koji se naziva drugim glavnim stavkom termodinamike. Njima se u analizi pridružuju i konstitutivni zakoni, kao što su termička i kalorička jednadžba stanja tvari (sustava). Matematički oblici tih zakona isključivo su vezani za vrstu (agregatno stanje) tvari. Termodinamika proučava sustave koji se, s obzirom na tok tvari, razvrstavaju na zatvorene i otvorene, a promjenu toplinskoga stanja sustava razgraničuje na ravnotežni i neravnotežni način. Pretpostavka ravnotežnih (kvazistatičkih) promjena stanja, kojemu se dovoljno približavaju toplinski procesi u mnogim stvarnim uređajima, vrlo je važna u području tehničke termodinamike, jer omogućuje proračunavanje vrijednosti energijskih veličina (rada i topline) s pomoću razmjerno jednostavnih jednadžba. Drugi je zakon termodinamike svojstven samo termodinamičkim analizama. On ponajprije pokazuje na smjer odvijanja toplinskih procesa, razvrstava ih u stvarne jednosmjerne (nepovratne) i hipotetične dvosmjerne (povratne, granične, idealne) procese. Potom daje i mogućnost kvantificiranja smanjenja toplinske energije, što je ekvivalentno gubitku na radu zbog nepovratnoga načina vođenja procesa. Prvi glavni stavak termodinamike poseban je oblik zakona o održanju energije kojim se izriče nemogućnost postojanja → perpetuum mobila 1. vrste. Zatvorenom sustavu privedena toplina Q troši se dijelom na promjenu njegove unutarnje energije U, a dijelom na mehanički rad odveden sustavu W₁₂, tj. Q₁₂ = U₂ – U₁ + W₁₂. Uvođenjem → entalpije: H = U + p · V, gdje je p tlak, a V obujam, izraz prelazi u najčešće primjenjivan oblik za otvorene sustave, koji izražava da se sustavu dovedeni toplinski tok Φ troši na promjenu njegove entalpije i na sustavu odvedenu snagu P₁₂, tj.: Φ₁₂ = H₂ – H₁ + P₁₂. Drugi glavni stavak termodinamike isključuje postojanje perpetuum mobila 2. vrste. Izražava se tvrdnjama: Toplina ne može sama od sebe prelaziti s tijela niže temperature na tijelo više temperature (R. E. Clausius), ili: Nije moguć periodički stroj koji bi obavljao rad koristeći se samo jednim toplinskim spremnikom (J. J. Thomson). Stavak se izražava s pomoću → entropije S:

\[Q_{12}\le\int_1^2T\cdot{\rm d}S,\]

gdje znak jednakosti vrijedi za povratne (ravnotežne) procese, a nejednakosti za nepovratne (neravnotežne) procese. Primjenom toga stavka na izolirani sustav spoznaje se da entropija sustava može samo rasti ili ostati konstantnom. Porast entropije odnosi se na nepovratne (ireverzibilne, jednosmjerne) procese, a to znači stvarne prirodne procese unutar izoliranoga sustava, dok samo povratni (reverzibilni, dvosmjerni) procesi, kakvih u prirodi nema, održavaju entropiju sustava konstantnom.