Nhiệt động lực học

Mô tả của bất kỳ hệ thống nhiệt động lực học nào sử dụng bốn định luật nhiệt động lực học tạo thành cơ sở tiên đề. Định luật đầu tiên chỉ rõ rằng năng lượng có thể được trao đổi giữa các hệ thống vật chất dưới dạng nhiệt và công . ^[12] Định luật thứ hai xác định sự tồn tại của một đại lượng gọi là entropi , mô tả hướng, về mặt nhiệt động lực học, mà một hệ thống có thể phát triển và định lượng trạng thái trật tự của một hệ thống và có thể được sử dụng để định lượng công hữu ích có thể được trích xuất. từ hệ thống. ^[13]

Trong nhiệt động lực học, tương tác giữa các tập hợp lớn của các vật thể được nghiên cứu và phân loại. Trọng tâm của vấn đề này là các khái niệm về hệ nhiệt động lực học và môi trường xung quanh nó . Một hệ thống bao gồm các hạt, chuyển động trung bình của chúng xác định các thuộc tính của nó, và các thuộc tính đó lần lượt có liên quan với nhau thông qua các phương trình trạng thái . Các thuộc tính có thể được kết hợp để biểu thị nội năng và thế nhiệt động , rất hữu ích để xác định các điều kiện cho các quá trình cân bằng và tự phát .

Với những công cụ này, nhiệt động lực học có thể được sử dụng để mô tả cách hệ thống phản ứng với những thay đổi trong môi trường của chúng. Điều này có thể được áp dụng cho nhiều chủ đề khác nhau trong khoa học và kỹ thuật , chẳng hạn như động cơ , chuyển pha , phản ứng hóa học , hiện tượng vận chuyển và thậm chí cả lỗ đen . Các kết quả của nhiệt động lực học là rất cần thiết cho các lĩnh vực khác của vật lý và cho hóa học , kỹ thuật hóa học , kỹ thuật ăn mòn , kỹ thuật hàng không vũ trụ , cơ khí chế tạo , sinh học tế bào , kỹ thuật y sinh , khoa học vật liệu , và kinh tế , đến tên một vài. ^{[14] [15]}

Bài báo này chủ yếu tập trung vào nhiệt động lực học cổ điển, chủ yếu nghiên cứu các hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học . Nhiệt động lực học không cân bằng thường được coi là sự mở rộng của phương pháp xử lý cổ điển, nhưng cơ học thống kê đã mang lại nhiều tiến bộ cho lĩnh vực đó.

Các nhà nhiệt động lực học đại diện cho tám trường phái nhiệt động lực học sáng lập ban đầu. Các trường học có tác dụng lâu dài nhất trong việc sáng lập ra các phiên bản hiện đại của nhiệt động lực học là trường học Berlin, đặc biệt như được thiết lập trong sách giáo khoa năm 1865 của Rudolf Clausius về Lý thuyết cơ nhiệt , trường phái Vienna, với cơ học thống kê của Ludwig Boltzmann , và Trường Gibbsian tại Đại học Yale, kỹ sư người Mỹ Willard Gibbs '1876 Về cân bằng của các chất dị thể phát động nhiệt động lực học hóa học . ^[16]

Các lịch sử của nhiệt động lực học như một môn khoa học thường bắt đầu với Otto von Guericke người, năm 1650, được xây dựng và thiết kế đầu tiên trên thế giới bơm chân không và chứng minh một chân không sử dụng mình bán cầu Magdeburg . Guericke được thúc đẩy để tạo ra chân không để bác bỏ quan điểm lâu nay của Aristotle rằng 'thiên nhiên ghét chân không'. Không lâu sau Guericke, nhà vật lý và hóa học người Anh-Ireland Robert Boyle đã biết đến thiết kế của Guericke và vào năm 1656, phối hợp với nhà khoa học người Anh Robert Hooke , đã chế tạo một máy bơm không khí. ^[17] Sử dụng máy bơm này, Boyle và Hooke nhận thấy mối tương quan giữa áp suất , nhiệt độ và thể tích . Theo thời gian, Định luật Boyle đã được hình thành, nói rằng áp suất và thể tích tỷ lệ nghịch . Sau đó, vào năm 1679, dựa trên những khái niệm này, một cộng sự của Boyle tên là Denis Papin đã chế tạo một thiết bị phân hủy hơi nước , đó là một bình kín có nắp đậy kín để giữ hơi nước cho đến khi tạo ra áp suất cao.

Các thiết kế sau đó đã thực hiện một van xả hơi giúp máy không bị nổ. Bằng cách quan sát van chuyển động lên xuống nhịp nhàng, Papin đã hình thành ý tưởng về một động cơ pít-tông và xi-lanh. Tuy nhiên, ông đã không làm theo thiết kế của mình. Tuy nhiên, vào năm 1697, dựa trên thiết kế của Papin, kỹ sư Thomas Savery đã chế tạo động cơ đầu tiên, tiếp theo là Thomas Newcomen vào năm 1712. Mặc dù những động cơ ban đầu này thô sơ và kém hiệu quả, chúng đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học hàng đầu thời bấy giờ.

Các khái niệm cơ bản về nhiệt dung và nhiệt tiềm ẩn , cần thiết cho sự phát triển của nhiệt động lực học, đã được phát triển bởi Giáo sư Joseph Black tại Đại học Glasgow, nơi James Watt được làm việc như một nhà sản xuất dụng cụ. Black và Watt đã cùng nhau thực hiện các thí nghiệm, nhưng chính Watt là người đã hình thành ý tưởng về bộ ngưng tụ bên ngoài dẫn đến hiệu suất động cơ hơi nước tăng lên đáng kể . ^[18] Dựa trên tất cả các công trình trước đó, Sadi Carnot , "cha đẻ của nhiệt động lực học", xuất bản Những phản ánh về sức mạnh động lực của lửa (1824), một bài diễn văn về nhiệt, công suất, năng lượng và hiệu suất của động cơ. Cuốn sách trình bày các mối quan hệ tràn đầy năng lượng cơ bản giữa các cơ Carnot , các chu trình Carnot , và động lực . Nó đánh dấu sự khởi đầu của nhiệt động lực học như một ngành khoa học hiện đại. ^[10]

Cuốn sách giáo khoa nhiệt động lực học đầu tiên được viết vào năm 1859 bởi William Rankine , ban đầu được đào tạo như một nhà vật lý và một giáo sư kỹ thuật dân dụng và cơ khí tại Đại học Glasgow . ^[19] Định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học xuất hiện đồng thời vào những năm 1850, chủ yếu từ các công trình của William Rankine , Rudolf Clausius và William Thomson (Lord Kelvin). Cơ sở của nhiệt động lực học thống kê được đặt ra bởi các nhà vật lý như James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann , Max Planck , Rudolf Clausius và J. Willard Gibbs .

Trong những năm 1873–76, nhà vật lý toán học người Mỹ Josiah Willard Gibbs đã xuất bản một loạt ba bài báo, nổi tiếng nhất là Về trạng thái cân bằng của các chất không đồng nhất , ^[3] trong đó ông chỉ ra cách các quá trình nhiệt động lực học , bao gồm cả các phản ứng hóa học , có thể được phân tích bằng đồ thị , bằng cách nghiên cứu năng lượng , entropi , thể tích , nhiệt độ và áp suất của hệ nhiệt động lực học theo cách như vậy, người ta có thể xác định xem một quá trình có xảy ra một cách tự phát hay không. ^[20] Ngoài ra Pierre Duhem vào thế kỷ 19 đã viết về nhiệt động lực học hóa học. ^[4] Trong đầu thế kỷ 20, các nhà hóa học như Gilbert N. Lewis , Merle Randall , ^[5] và EA Guggenheim ^{[6] [7] đã} áp dụng các phương pháp toán học của Gibbs để phân tích các quá trình hóa học.

Từ nguyên của nhiệt động lực học có một lịch sử phức tạp. ^[21] Lần đầu tiên nó được đánh vần ở dạng gạch nối như một tính từ ( nhiệt động lực học ) và từ năm 1854 đến năm 1868 là danh từ nhiệt động lực học để đại diện cho khoa học về động cơ nhiệt tổng quát. ^[21]

Nhà vật lý sinh học người Mỹ Donald Haynie tuyên bố rằng nhiệt động lực học được đặt ra vào năm 1840 từ gốc tiếng Hy Lạp θέρμη therme, có nghĩa là "nhiệt", và δύναμις dynamic , có nghĩa là "sức mạnh". ^[22]

Pierre Perrot tuyên bố rằng thuật ngữ nhiệt động lực học được đặt ra bởi James Joule vào năm 1858 để chỉ định khoa học về mối quan hệ giữa nhiệt và công suất, ^[10] tuy nhiên, Joule không bao giờ sử dụng thuật ngữ đó, mà thay vào đó sử dụng thuật ngữ động cơ nhiệt động hoàn hảo liên quan đến Thomson 1849 ^[23] cụm từ học. ^[21]

Đến năm 1858, nhiệt động lực học , như một thuật ngữ chức năng, được sử dụng trong bài báo của William Thomson "An Account of Carnot's Theory of Motive Power of Heat." ^[23]

Việc nghiên cứu các hệ thống nhiệt động lực học đã phát triển thành một số ngành liên quan, mỗi ngành sử dụng một mô hình cơ bản khác nhau làm cơ sở lý thuyết hoặc thực nghiệm, hoặc áp dụng các nguyên tắc cho các loại hệ thống khác nhau.

Nhiệt động lực học cổ điển

Nhiệt động lực học cổ điển là sự mô tả trạng thái của các hệ nhiệt động lực học ở trạng thái gần cân bằng, sử dụng các đặc tính vĩ mô, có thể đo lường được. Nó được sử dụng để lập mô hình trao đổi năng lượng, công và nhiệt dựa trên các định luật nhiệt động lực học . Định tính cổ điển phản ánh thực tế là nó đại diện cho mức độ hiểu biết đầu tiên của chủ đề khi nó được phát triển vào thế kỷ 19 và mô tả những thay đổi của một hệ thống dưới dạng các tham số thực nghiệm vĩ mô (quy mô lớn và có thể đo lường được). Sự giải thích bằng kính hiển vi của những khái niệm này sau đó được cung cấp bởi sự phát triển của cơ học thống kê .

Cơ học thống kê

Cơ học thống kê , còn được gọi là nhiệt động lực học thống kê, xuất hiện cùng với sự phát triển của lý thuyết nguyên tử và phân tử vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, và nhiệt động lực học cổ điển bổ sung cho việc giải thích các tương tác vi mô giữa các hạt riêng lẻ hoặc các trạng thái cơ lượng tử. Trường này liên hệ các tính chất vi mô của các nguyên tử và phân tử riêng lẻ với các tính chất vĩ mô, khối lượng lớn của vật liệu có thể quan sát được ở quy mô con người, từ đó giải thích nhiệt động lực học cổ điển là kết quả tự nhiên của thống kê, cơ học cổ điển và lý thuyết lượng tử ở cấp độ vi mô.

Nhiệt động lực học hóa học

Nhiệt động lực học hóa học là nghiên cứu về mối tương quan của năng lượng với các phản ứng hóa học hoặc với sự thay đổi trạng thái vật lý trong giới hạn của các định luật nhiệt động lực học .

Cân bằng nhiệt động lực học

Cân bằng nhiệt động lực học là nghiên cứu sự chuyển giao của vật chất và năng lượng trong các hệ thống hoặc cơ thể mà các cơ quan trong môi trường xung quanh chúng có thể được điều khiển từ trạng thái cân bằng nhiệt động lực học này sang trạng thái cân bằng nhiệt động lực học khác. Thuật ngữ 'cân bằng nhiệt động lực học' chỉ một trạng thái cân bằng, trong đó tất cả các dòng chảy vĩ mô đều bằng không; trong trường hợp của các hệ thống hoặc vật thể đơn giản nhất, các tính chất chuyên sâu của chúng là đồng nhất và áp suất của chúng vuông góc với ranh giới của chúng. Ở trạng thái cân bằng, không có thế năng hoặc động lực không cân bằng giữa các bộ phận riêng biệt về mặt vĩ mô của hệ thống. Mục đích trọng tâm của cân bằng nhiệt động lực học là: đưa ra một hệ ở trạng thái cân bằng ban đầu được xác định rõ, và cho môi trường xung quanh nó và cho các thành cấu tạo của nó, để tính toán trạng thái cân bằng cuối cùng của hệ sẽ như thế nào sau khi một hoạt động nhiệt động cụ thể đã thay đổi tường hoặc môi trường xung quanh của nó.

Nhiệt động lực học không cân bằng là một nhánh của nhiệt động lực học đề cập đến các hệ thống không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học . Hầu hết các hệ được tìm thấy trong tự nhiên không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học bởi vì chúng không ở trạng thái tĩnh, và liên tục và không liên tục chịu dòng vật chất và năng lượng đến và đi từ các hệ khác. Nghiên cứu nhiệt động lực học của các hệ thống không cân bằng đòi hỏi những khái niệm tổng quát hơn so với nghiên cứu nhiệt động lực học cân bằng. Nhiều hệ thống tự nhiên ngày nay vẫn nằm ngoài phạm vi của các phương pháp nhiệt động lực học vĩ mô hiện được biết đến.

Nhiệt động lực học về cơ bản dựa trên một bộ bốn định luật có giá trị chung khi áp dụng cho các hệ thống nằm trong các ràng buộc được ngụ ý bởi mỗi định luật. Trong các mô tả lý thuyết khác nhau của nhiệt động lực học, các định luật này có thể được thể hiện ở các dạng có vẻ khác nhau, nhưng các công thức nổi bật nhất là sau đây.

Luật số 0

Định luật 0 của nhiệt động lực học phát biểu: Nếu hai hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt với một phần ba thì chúng cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau.

Phát biểu này ngụ ý rằng cân bằng nhiệt là một quan hệ tương đương trên tập hợp các hệ thống nhiệt động lực học đang được xem xét. Các hệ được cho là ở trạng thái cân bằng nếu các trao đổi nhỏ, ngẫu nhiên giữa chúng (ví dụ chuyển động Brown ) không dẫn đến sự thay đổi thực về năng lượng. Định luật này được giả định ngầm trong mọi phép đo nhiệt độ. Do đó, nếu người ta muốn quyết định xem hai vật có ở cùng một nhiệt độ hay không , thì không cần thiết phải đưa chúng tiếp xúc và đo bất kỳ sự thay đổi nào của các đặc tính có thể quan sát được của chúng kịp thời. ^[24] Định luật cung cấp định nghĩa thực nghiệm về nhiệt độ và lý do cho việc chế tạo các nhiệt kế thực tế.

Định luật số 0 ban đầu không được công nhận là một định luật riêng biệt của nhiệt động lực học, vì cơ sở của nó trong cân bằng nhiệt động lực học đã được ngụ ý trong các định luật khác. Các định luật thứ nhất, thứ hai và thứ ba đã được phát biểu một cách rõ ràng, và được chấp nhận phổ biến trong cộng đồng vật lý trước khi tầm quan trọng của định luật số 0 đối với định nghĩa nhiệt độ được nhận ra. Vì không thực tế khi đánh số lại các luật khác, nó được đặt tên là luật số 0 .

Luật đầu tiên

Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học phát biểu: Trong một quá trình không có chuyển giao vật chất, sự thay đổi nội năng , Δ U , của hệ nhiệt động lực học bằng năng lượng thu được là nhiệt Q , trừ đi công của nhiệt động lực học W do hệ thực hiện. về môi trường xung quanh nó. ^{[25] [nb 1]}

${\ displaystyle \ Delta U = QW}$.

Đối với các quá trình bao gồm chuyển giao vật chất, cần có một tuyên bố khác: Với sự tính toán thích đáng về các trạng thái chuẩn tương ứng của các hệ, khi hai hệ, có thể có các thành phần hóa học khác nhau, ban đầu chỉ ngăn cách bởi một bức tường không thấm, và nếu không thì bị cô lập. , được kết hợp thành một hệ thống mới bằng hoạt động nhiệt động lực học của việc loại bỏ bức tường, sau đó

${\ displaystyle U_ {0} = U_ {1} + U_ {2}}$,

trong đó U ₀ biểu thị năng lượng bên trong của hệ thống kết hợp, và U ₁ và U ₂ biểu thị năng lượng bên trong của các hệ thống riêng biệt tương ứng.

Được điều chỉnh cho nhiệt động lực học, định luật này là một biểu hiện của nguyên tắc bảo toàn năng lượng , trong đó nói rằng năng lượng có thể được chuyển hóa (thay đổi từ dạng này sang dạng khác), nhưng không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy. ^[26]

Nội năng là đặc tính cơ bản của trạng thái nhiệt động lực học , trong khi nhiệt và công là các phương thức truyền năng lượng mà một quá trình có thể thay đổi trạng thái này. Sự thay đổi nội năng của hệ thống có thể đạt được bằng bất kỳ sự kết hợp nào của nhiệt lượng được thêm vào hoặc loại bỏ và công việc được thực hiện trên hoặc bởi hệ thống. Là một chức năng của trạng thái , nội năng không phụ thuộc vào cách thức, hoặc vào con đường thông qua các bước trung gian, mà hệ thống đạt được trạng thái của nó.

Luật thứ hai

Một phiên bản truyền thống của định luật nhiệt động lực học thứ hai phát biểu: Nhiệt không tự phát truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.

Định luật thứ hai đề cập đến một hệ thống vật chất và bức xạ, ban đầu có sự không đồng nhất về nhiệt độ, áp suất, thế hóa học và các đặc tính chuyên sâu khác , do các 'ràng buộc' bên trong, hoặc các bức tường cứng không thấm nước, bên trong nó, hoặc do các lực tác động bên ngoài. . Định luật quan sát thấy rằng, khi hệ cô lập với thế giới bên ngoài và khỏi các lực đó, thì có một đại lượng nhiệt động lực học xác định, entropi của nó , tăng lên khi các ràng buộc bị loại bỏ, cuối cùng đạt đến giá trị cực đại ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, khi thực tế không đồng nhất tan biến. Đối với các hệ thống ban đầu ở xa trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, mặc dù một số hệ thống đã được đề xuất, không có nguyên tắc vật lý chung nào xác định tốc độ tiến tới cân bằng nhiệt động lực học, và nhiệt động lực học không giải quyết được các tốc độ đó. Nhiều phiên bản của định luật thứ hai đều thể hiện tính không thể đảo ngược của cách tiếp cận như vậy đối với trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.

Trong nhiệt động lực học vĩ mô, định luật thứ hai là một quan sát cơ bản áp dụng cho bất kỳ quá trình nhiệt động học thực tế nào; trong nhiệt động lực học thống kê, định luật thứ hai được coi là hệ quả của sự hỗn loạn phân tử.

Luật thứ ba

Định luật thứ ba của nhiệt động lực học phát biểu: Khi nhiệt độ của một hệ thống đạt đến độ không tuyệt đối, tất cả các quá trình ngừng lại và entropy của hệ thống đạt đến một giá trị nhỏ nhất.

Định luật nhiệt động lực học này là một quy luật thống kê của tự nhiên liên quan đến entropi và không thể đạt đến nhiệt độ không tuyệt đối . Định luật này cung cấp một điểm tham chiếu tuyệt đối để xác định entropy. Entropy được xác định liên quan đến thời điểm này là entropy tuyệt đối. Các định nghĩa thay thế bao gồm "entropy của tất cả các hệ và của tất cả các trạng thái của một hệ là nhỏ nhất ở độ không tuyệt đối", hoặc tương đương "không thể đạt đến nhiệt độ không tuyệt đối bằng bất kỳ số quá trình hữu hạn nào".

Độ không tuyệt đối, tại đó mọi hoạt động sẽ dừng nếu có thể đạt được, là −273,15 ° C (độ C), hoặc −459,67 ° F (độ F), hoặc 0 K (kelvin), hoặc 0 ° R (độ Rankine ).

Sơ đồ của một hệ thống nhiệt động lực học chung

Một khái niệm quan trọng trong nhiệt động lực học là hệ thống nhiệt động lực học , là một vùng được xác định chính xác của vũ trụ đang được nghiên cứu. Mọi thứ trong vũ trụ ngoại trừ hệ thống được gọi là môi trường xung quanh . Một hệ thống được ngăn cách với phần còn lại của vũ trụ bởi một ranh giới có thể là vật lý hoặc danh nghĩa, nhưng dùng để giới hạn hệ thống trong một thể tích hữu hạn. Các phân đoạn của ranh giới thường được mô tả như những bức tường ; chúng có 'khả năng thẩm thấu' được xác định tương ứng. Sự chuyển giao năng lượng dưới dạng công , hoặc nhiệt , hoặc vật chất , giữa hệ thống và môi trường xung quanh, diễn ra qua các bức tường, theo khả năng thẩm thấu tương ứng của chúng.

Vật chất hoặc năng lượng đi qua ranh giới để làm thay đổi nội năng của hệ cần được tính trong phương trình cân bằng năng lượng. Thể tích chứa bởi các bức tường có thể là vùng bao quanh một nguyên tử đơn lẻ cộng hưởng năng lượng, chẳng hạn như Max Planck được xác định vào năm 1900; nó có thể là một thể hơi nước hoặc không khí trong động cơ hơi nước , chẳng hạn như Sadi Carnot đã xác định năm 1824. Hệ thống này cũng có thể chỉ là một nuclide (tức là một hệ thống các hạt quark ) như giả thuyết trong nhiệt động lực học lượng tử . Khi quan điểm lỏng lẻo hơn được chấp nhận và yêu cầu cân bằng nhiệt động lực học bị giảm xuống, hệ thống có thể là vật thể của một xoáy thuận nhiệt đới , chẳng hạn như Kerry Emanuel đã đưa ra lý thuyết vào năm 1986 trong lĩnh vực nhiệt động lực học khí quyển , hoặc chân trời sự kiện của một lỗ đen .

Ranh giới có bốn loại: cố định, di động, thực và tưởng tượng. Ví dụ, trong động cơ, một đường biên cố định có nghĩa là piston bị khóa ở vị trí của nó, trong đó quá trình thể tích không đổi có thể xảy ra. Nếu pittông được phép di chuyển thì biên đó có thể di chuyển được trong khi biên của xi lanh và đầu xi lanh được cố định. Đối với hệ thống đóng, ranh giới là thực trong khi đối với hệ thống mở, ranh giới thường là tưởng tượng. Trong trường hợp động cơ phản lực, một ranh giới tưởng tượng cố định có thể được giả định tại cửa nạp của động cơ, ranh giới cố định dọc theo bề mặt của vỏ máy và ranh giới tưởng tượng cố định thứ hai qua vòi xả.

Nói chung, nhiệt động lực học phân biệt ba loại hệ thống, được xác định theo nghĩa những gì được phép vượt qua ranh giới của chúng:

Tương tác của các hệ thống nhiệt động lực học

Loại hệ thống	Lưu lượng lớn	Công việc	Nhiệt
Mở	Y	Y	Y
Đã đóng cửa	N	Y	Y
Cách ly nhiệt	N	Y	N
Cách ly cơ học	N	N	Y
Bị cô lập	N	N	N

Khi thời gian trôi qua trong một hệ thống cô lập, sự khác biệt bên trong của áp suất, mật độ và nhiệt độ có xu hướng giảm dần. Một hệ thống trong đó tất cả các quá trình cân bằng đã đi đến kết thúc được cho là trong một trạng thái của trạng thái cân bằng nhiệt động lực học .

Khi ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, theo định nghĩa, các đặc tính của hệ thống là không thay đổi theo thời gian. Các hệ thống ở trạng thái cân bằng đơn giản và dễ hiểu hơn nhiều so với các hệ thống không ở trạng thái cân bằng. Thông thường, khi phân tích một quá trình nhiệt động lực học, giả thiết đơn giản hóa được đưa ra là mỗi trạng thái trung gian trong quá trình đều ở trạng thái cân bằng, tạo ra các quá trình nhiệt động lực học phát triển chậm đến mức cho phép mỗi bước trung gian là một trạng thái cân bằng và được cho là các quá trình thuận nghịch. .

Khi một hệ ở trạng thái cân bằng trong một tập hợp các điều kiện nhất định, nó được cho là ở một trạng thái nhiệt động xác định . Trạng thái của hệ thống có thể được mô tả bằng một số đại lượng trạng thái không phụ thuộc vào quá trình mà hệ thống đạt đến trạng thái của nó. Chúng được gọi là biến chuyên sâu hoặc biến mở rộng tùy theo cách chúng thay đổi khi quy mô của hệ thống thay đổi. Các thuộc tính của hệ thống có thể được mô tả bằng một phương trình trạng thái xác định mối quan hệ giữa các biến này. Trạng thái có thể được coi là mô tả định lượng tức thời của một hệ thống với một số lượng biến được giữ cố định.

Một quá trình nhiệt động lực học có thể được định nghĩa là sự phát triển năng động của một hệ thống tố tụng nhiệt động lực học từ một trạng thái ban đầu đến một trạng thái cuối cùng. Nó có thể được mô tả bằng số lượng quá trình . Thông thường, mỗi quá trình nhiệt động lực học được phân biệt với các quá trình khác ở đặc điểm năng lượng theo những thông số nào, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất hoặc thể tích, v.v., được giữ cố định; Hơn nữa, rất hữu ích khi nhóm các quá trình này thành từng cặp, trong đó mỗi biến được giữ hằng số là một thành viên của một cặp liên hợp .

Một số quá trình nhiệt động lực học thường được nghiên cứu là:

• Quá trình đoạn nhiệt : xảy ra mà không mất hoặc tăng năng lượng do nhiệt
• Quá trình đẳng lập : xảy ra ở một entanpi không đổi
• Quá trình đẳng hướng : một quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch, xảy ra tại một entropy không đổi
• Quá trình đẳng áp : xảy ra ở áp suất không đổi
• Quá trình đẳng tích : xảy ra ở thể tích không đổi (còn gọi là đẳng áp / đẳng số)
• Quá trình đẳng nhiệt : xảy ra ở nhiệt độ không đổi
• Quá trình trạng thái ổn định : xảy ra không thay đổi nội năng

Có hai loại dụng cụ nhiệt động là đồng hồ đo và bình chứa . Máy đo nhiệt động lực học là thiết bị đo bất kỳ thông số nào của hệ thống nhiệt động lực học . Trong một số trường hợp, thông số nhiệt động thực sự được xác định dưới dạng dụng cụ đo lý tưởng. Ví dụ, định luật 0 phát biểu rằng nếu hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt với vật thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt với nhau. Nguyên tắc này, được James Maxwell ghi nhận vào năm 1872, khẳng định rằng có thể đo nhiệt độ. Nhiệt kế lý tưởng hóa là một mẫu khí lý tưởng ở áp suất không đổi. Từ định luật khí lý tưởng pV = nRT , thể tích của một mẫu như vậy có thể được dùng làm chỉ thị cho nhiệt độ; theo cách này, nó xác định nhiệt độ. Mặc dù áp suất được định nghĩa về mặt cơ học, một thiết bị đo áp suất, được gọi là khí áp kế cũng có thể được chế tạo từ một mẫu khí lý tưởng được giữ ở nhiệt độ không đổi. Một nhiệt lượng kế là một thiết bị được sử dụng để đo lường và xác định các năng lượng bên trong của một hệ thống.

Bể chứa nhiệt động lực học là một hệ thống quá lớn nên các thông số trạng thái của nó không bị thay đổi đáng kể khi nó tiếp xúc với hệ thống quan tâm. Khi bể chứa được đưa vào tiếp xúc với hệ thống, hệ thống được đưa về trạng thái cân bằng với bể chứa. Ví dụ, một bình chứa áp suất là một hệ thống ở một áp suất cụ thể, áp suất đó áp lên hệ thống mà nó được kết nối cơ học. Bầu khí quyển của Trái đất thường được sử dụng như một bể chứa áp suất. Đại dương có thể hoạt động như một bể chứa nhiệt độ khi được sử dụng để làm mát các nhà máy điện.

Khái niệm trung tâm của nhiệt động lực học là năng lượng , khả năng thực hiện công việc . Theo Định luật thứ nhất , tổng năng lượng của một hệ thống và môi trường xung quanh nó được bảo toàn. Năng lượng có thể được chuyển vào một hệ thống bằng cách đốt nóng, nén hoặc bổ sung vật chất và được chiết xuất từ ​​hệ thống bằng cách làm lạnh, giãn nở hoặc chiết xuất vật chất. Trong cơ học , ví dụ, truyền năng lượng bằng sản phẩm của lực tác dụng lên một vật thể và kết quả là chuyển vị.

Biến liên hợp là các cặp khái niệm nhiệt động lực học, với khái niệm đầu tiên giống với "lực" tác dụng lên một hệ thống nhiệt động lực nào đó , biến thứ hai giống với "độ dời" kết quả và tích của cả hai bằng lượng năng lượng được truyền. Các biến liên hợp phổ biến là:

• Áp suất - thể tích (các thông số cơ học );
• Nhiệt độ - entropy (các thông số nhiệt);
• Thế hóa học - số hạt (thông số vật liệu).

Thế nhiệt động là các phép đo định lượng khác nhau của năng lượng tích trữ trong một hệ thống. Điện thế được sử dụng để đo sự thay đổi năng lượng trong các hệ thống khi chúng phát triển từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng. Điện thế được sử dụng phụ thuộc vào các ràng buộc của hệ thống, chẳng hạn như nhiệt độ hoặc áp suất không đổi. Ví dụ, năng lượng Helmholtz và Gibbs là năng lượng có sẵn trong một hệ thống để thực hiện công việc hữu ích khi nhiệt độ và thể tích hoặc áp suất và nhiệt độ tương ứng là cố định.

Năm tiềm năng được biết đến nhiều nhất là:

Tên	Biểu tượng	Công thức	Các biến tự nhiên
Nội năng	${\ displaystyle U}$	${\ displaystyle \ int \ left (T \, dS-p \, dV + \ sum _ {i} \ mu _ {i} dN_ {i} \ right)}$	${\ displaystyle S, V, \ {N_ {i} \}}$
Helmholtz năng lượng miễn phí	${\ displaystyle F}$	${\ displaystyle U-TS}$	${\ displaystyle T, V, \ {N_ {i} \}}$
Enthalpy	${\ displaystyle H}$	${\ displaystyle U + pV}$	${\ displaystyle S, p, \ {N_ {i} \}}$
Gibbs năng lượng miễn phí	${\ displaystyle G}$	${\ displaystyle U + pV-TS}$	${\ displaystyle T, p, \ {N_ {i} \}}$
Landau tiềm năng, hoặc tiềm năng lớn	${\ displaystyle \ Omega}$, ${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {G}}}$	${\ displaystyle U-TS-}$${\ displaystyle \ sum _ {i} \,}$${\ displaystyle \ mu _ {i} N_ {i}}$	${\ displaystyle T, V, \ {\ mu _ {i} \}}$

Ở đâu ${\ displaystyle T}$là nhiệt độ ,${\ displaystyle S}$các entropy ,${\ displaystyle p}$các áp lực ,${\ displaystyle V}$các khối lượng ,${\ displaystyle \ mu}$các tiềm năng hóa học ,${\ displaystyle N}$ số lượng các hạt trong hệ thống, và ${\ displaystyle i}$ là số lượng các loại hạt trong hệ thống.

Thế nhiệt động có thể được suy ra từ phương trình cân bằng năng lượng áp dụng cho hệ nhiệt động lực học. Các thế nhiệt động khác cũng có thể nhận được thông qua phép biến đổi Legendre .

• Đường dẫn quá trình nhiệt động lực học

Danh sách và tiến trình

• Danh sách các ấn phẩm quan trọng trong nhiệt động lực học
• Danh sách giáo trình nhiệt động lực học và cơ học thống kê
• Danh sách các chất dẫn nhiệt
• Danh sách các đặc tính nhiệt động lực học
• Bảng phương trình nhiệt động lực học
• Dòng thời gian của nhiệt động lực học

• Goldstein, Martin & Inge F. (1993). Tủ lạnh và vũ trụ . Nhà xuất bản Đại học Harvard. ISBN 978-0-674-75325-9. OCLC  32826343 . Một phần giới thiệu phi kỹ thuật, tốt về các vấn đề lịch sử và diễn giải.
• Kazakov, Andrei; Muzny, Chris D.; Chirico, Robert D.; Diky, Vladimir V.; Frenkel, Michael (2008). "Bảng Nhiệt động trên Web - Phiên bản Trực tuyến của Bảng Nhiệt động TRC" . Tạp chí Nghiên cứu của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia . 113 (4): 209–220. doi : 10.6028 / jres.113.016 . ISSN  1044-677X . PMC  4651616 . PMID  27096122 .
• Gibbs JW (1928). Các công trình được sưu tầm của J. Willard Gibbs Thermodynamics . New York: Longmans, Green và Co.Tập 1, trang 55–349.
• Guggenheim EA (1933). Nhiệt động lực học hiện đại theo phương pháp của Willard Gibbs . Luân Đôn: Methuen & co. ltd.
• Denbigh K. (1981). Các Nguyên tắc Cân bằng Hóa học: Với các Ứng dụng trong Hóa học và Kỹ thuật Hóa học . London: Nhà xuất bản Đại học Cambridge.
• Stull, DR, Westrum Jr., EF và Sinke, GC (1969). Nhiệt động học hóa học của các hợp chất hữu cơ . Luân Đôn: John Wiley và Sons, Inc.CS1 Maint: nhiều tên: danh sách tác giả ( liên kết )
• Bazarov IP (2010). Nhiệt động lực học: SGK . Petersburg: Nhà xuất bản Lan. p. 384. ISBN 978-5-8114-1003-3.Ấn bản thứ 5. (ở Nga)
• Bawendi Moungi G., Alberty Robert A. và Silbey Robert J. (2004). Hóa lý . J. Wiley & Sons, Incorporated.
• Tự do Robert A. (2003). Nhiệt động học của các phản ứng sinh hóa . Wiley-Interscience.
• Tự do Robert A. (2006). Nhiệt động lực học sinh hóa: Các ứng dụng của Mathematica . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-75798-6. PMID  16878778 .
• Dill Ken A., Bromberg Sarina (2011). Động lực thúc đẩy phân tử: Nhiệt động lực học thống kê trong Sinh học, Hóa học, Vật lý và Khoa học nano . Khoa học Garland. ISBN 978-0-8153-4430-8.
• M. Scott Shell (2015). Nhiệt động lực học và Cơ học thống kê: Một phương pháp tiếp cận tích hợp . Nhà xuất bản Đại học Cambridge. ISBN 978-1107656789.
• Douglas E. Barrick (2018). Nhiệt động lực học sinh học phân tử: Từ lý thuyết đến ứng dụng . CRC Nhấn. ISBN 978-1-4398-0019-5.

Các tiêu đề sau thiên về kỹ thuật:

• Bejan, Adrian (2016). Nhiệt động lực học Kỹ thuật nâng cao (4 ed.). Wiley. ISBN 978-1-119-05209-8.
• Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A. (2002). Nhiệt động lực học - một phương pháp tiếp cận kỹ thuật . Đồi McGraw. ISBN 978-0-07-238332-4. OCLC  45791449 .CS1 Maint: nhiều tên: danh sách tác giả ( liên kết )
• Dunning-Davies, Jeremy (1997). Nhiệt động lực học ngắn gọn: Nguyên lý và Ứng dụng . Nhà xuất bản Horwood. ISBN 978-1-8985-6315-0. OCLC  36025958 .
• Kroemer, Herbert & Kittel, Charles (1980). Vật lý nhiệt . Công ty WH Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2. OCLC  32932988 .

• Phương tiện liên quan tới Nhiệt động lực học tại Wikimedia Commons

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Nhiệt động lực học"  . Bách khoa toàn thư Britannica . 26 (ấn bản thứ 11). trang 808–814.
• Dữ liệu nhiệt động lực học & trang web tính toán thuộc tính
• Trang web giáo dục nhiệt động lực học
• Nhiệt động lực học hóa sinh
• Nhiệt động lực học và Cơ học thống kê
• Nhiệt động lực học kỹ thuật - Phương pháp tiếp cận đồ thị
• Nhiệt động lực học và Cơ học thống kê của Richard Fitzpatrick