Titulní strana klíčové práceSadiho Carnota o termodynamice s titulem:Réflexions sur la puissance motrice du feu, et sur les machines propres à developper cette puissance
Termodynamika je oborfyziky, který se zabývá procesy a vlastnostmi látek a polí spojených steplem a tepelnými jevy; je součástítermiky. Vychází přitom z obecných principů přeměny energie, které jsou popsány čtyřmi termodynamickými zákony (z historických důvodů číslovány nultý až třetí). Termodynamika se dále dělí na studium rovnovážných a nerovnovážných procesů.[1] Historicky byl vývoj termodynamiky veden touhou zvýšit efektivitu prvních parních strojů, čímž se zabývala klíčová práceÚvahy o hybné síle ohně francouzského fyzikaSadiho Carnota, často nazývaného otcem termodynamiky. O další rozvoj termodynamiky se zasadila formulace prvního a druhého zákona termodynamiky, na nichž se podíleli především William Thomson, pozdějšílord Kelvin,Rudolf Clausius aWilliam Rankine. Samotný termín termodynamika je prvně doložen v roce 1849 v práci lorda Kelvina.
Termodynamika zkoumá vzájemné vztahy mezi veličinami, které charakterizujímakroskopický stav systému a změny těchto veličin při fyzikálních dějích, obvykle spojených s výměnou tepla s okolím soustavy. Mnohé z vlastností látky lze objasnit bez dokonalé znalosti její vnitřní struktury. Termodynamika byla využívána ještě dříve, než byla známakinetická teorie látek. Vycházelo se z několikaaxiomaticky vyslovených (aexperimentálně potvrzených) pouček, které, v souvislosti se známými vlastnostmi látek, posloužily k odvození dalších vlastností a vztahů. Tento přístup se nazýváfenomenologický. Stav látky se popisuje pomocí tzv.stavových veličin arovnic, které určují vztahy mezi jednotlivými stavovými veličinami.
Mezi významnými oddíly termodynamiky můžeme jmenovat např.termochemii, která se zabývá tepelnými jevy při chemických reakcích, dále energetiku, teorii vratných dějů, teorii nevratnosti aentropie, termodynamiku fázových přeměn, či termodynamiku záření.
Rozsáhlejším příbuzným oborem je fyzikální chemie, která vedle termodynamiky obsahuje i fyzikální kinetiku studující dynamiku dějů na mikroskopické úrovni a její makroskopické důsledky (rychlosti průběhu reakcí).
V roce 1821 seNicolas Léonard Sadi Carnot seznámil vMagdeburku s parním strojem a jeho fyzikální model se pokoušel v následujících letech formulovat. Své závěry publikoval v roce 1824 v díle Úvahy o hybné síle ohně (Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu).[2] Popsal v něm cyklus stroje, kde probíhá ohřívání, expanze, ochlazení a opětné stlačeníideálního plynu, dnes známý jakoCarnotův cyklus. Díky tomuto dílu je tento francouzský fyzik považován za zakladatele termodynamiky.
Rudolf Clausius upřesnil Carnotův výklad, formuloval první a druhý zákon termodynamiky (1850), zavedl pojem kruhových (1854), nevratných procesů (1862) a entropie (1865). Dokázal význam termodynamické metody v teorii elektrických jevů, např. uelektrolýzy, polarizace dielektrik a vtermoelektřině.[3]
Termodynamiku dále obohatili Kelvin, Rankine, Gibbs, Nernst a Planck. První jmenovaný –William Thomson známý jako lord Kelvin se již ve svých 22 letech stal profesorem „přírodní filozofie“ na univerzitě v Glasgowě, kde zůstal až do své smrti. Ve svých 24 letech zavedl pojem absolutní teploty ateplotní stupnici, dnes po něm pojmenovanou. Podařilo se mu v roce 1851 formulovat samostatně druhý zákon termodynamiky a zasazoval se o použití metod termodynamiky ve všech oblastech fyziky. V roce 1853 objevil s Joulem jev, který se dnes nazýváJoulův–Thomsonův a využívá se ke zkapalňování plynů. Teorie tohoto jevu se stala základem termodynamiky nevratných procesů. Odvodil také relace pro závislost teploty varu kapalin na tlaku par a na dalších parametrech (1870).[3]
Dalším průkopníkem v oblasti termodynamiky a statistické fyziky byl AmeričanJosiah Willard Gibbs, který přišel na teoriitermodynamických potenciálů a odhalil světu pravidloo koexistenci fází. Bohužel jeho mimořádná skromnost způsobila, že své práce publikoval jen v nevýznamných místních časopisech, takže jeho objevy nebyly před rokem 1892 vůbec známy.[3]
Nernstovo znění třetího zákona termodynamiky dále zobecnilMax Planck (1910). Ten se ostatně podílel i na formulaci prvního a druhého zákona termodynamiky a zasadil se o zdůraznění významu pojmu entropie, kterýžto pojem zavedlR. Clausius. Planck při svých snahách vypracovat termodynamiku záření dospěl ke svému slavnémuzákonu o vyzařování černého tělesa, který byl jedním ze základních kamenů kvantové teorie.[3]
Etymologie slova termodynamika má složitou historii.[4] Zprvu bylo psáno ve formě se spojovníkem jako adjektivum (termo-dynamických) a v letech 1854 až 1868 jako podstatné jméno termo-dynamika reprezentovalo vědu o zobecněných tepelných strojích.[4] Slovo termodynamika je odvozeno z řeckých slov θέρμη čti [termé], což znamená teplo, a δύναμις čti [dynamis], což znamená moc i sílu.[5][6][7][8] Pierre Perrot tvrdí, že termín termodynamika byl vytvořen v roce 1858 Jamesem Joulem pro pojmenování vědy o vztazích mezi teplem a energií.[9][10] Joule ale nikdy tento termín neužil, místo toho používal termíndokonalý termo-dynamický stroj s odkazem na Thomsonovu frazeologii z r. 1849.[4] V r. 1858 je již termín termo-dynamika jako ustálený pojem používán v článku William Thomsona „An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat“.[11]
Termodynamika je založena na šesti postulátech, které byly formulovány zobecněním pozorovaných a experimentálních faktů. Prvním je postulát o přechodu systému do rovnovážného stavu. Druhým postulátem je tvrzení, že vnitřní energie systému je extenzivní veličinou. Další čtyři postuláty se z historických důvodů nazývajívětami termodynamickými[12] (zkrácením z termínu "hlavní věta" = "Hauptsatz" užitého v prvním českém textu Záviškově), vhodnější jezákony nebo principy termodynamiky[13], protože větou se má nazývat tvrzení, které lze v rámci daného oboru dokázat z výchozích zákonů (principů, axiomů).
Obvykle se uvádějí ve tvaru[13] 1:Libovolný izolovaný systém po uplynutí určité doby dospěje do rovnovážného stavu, který není nikdy spontánně narušen.
2:Stav systému v rovnováze je jednoznačně určen souborem všech vnějších parametrů a jediným parametrem vnitřním.
Stav vzájemné tepelné rovnováhy je vlastností tranzitivní. Pokud je těleso A v rovnovážném stavu s tělesem B a těleso B je v rovnovážném stavu s tělesem C, pak těleso A je v rovnovážném stavu s tělesem C.
Vzájemná tepelná rovnováha je dálereflexivní (systém je v rovnováze sám se sebou) asymetrická (je-li A v rovnováze s B, je i B v rovnováze s A), jde tedy orelaci ekvivalence. Každé třídě ekvivalence pak můžeme přiřadit určitouempirickou teplotu. Zákon tak lze také formulovat následovně:
Teplota ve všech systémech s tepelně vodivými stěnami, jež jsou spolu v rovnováze, je stejná.[14]
Energii soustavy lze změnit jen výměnou tepla, práce nebo chemické práce (v jakékoli kombinaci) s okolím:[13]
.
Tento zákon je nyní pojímán jako speciální formulaci obecného zákona zachování energie v uzavřeném systému s možností konání práce a výměny tepla, která definuje stavovou funkci – vnitřní energii, jenž je vlastností daného stavu uzavřeného systému závislou na fyzikálních veličinách práce a teplo.[14]
Jeho historickým významem bylo vyvrácení fluidové teorie tepla zjištěním, že "teplo" není samostatné fluidum, ale energie přenesená jistým způsobem. To však též umožňuje užívat i nadále pojem i termín teplo, ale v přesně vymezených situacích (kdy se nekoná práce).[13]
Tento zákon axiomaticky zavádí stavovou funkci zvanou entropie, pro jejíž diferenciál platí , kde rovnost nastává pouze pro vratné děje, nerovnost pro děje nevratné.[14]Historické formulace[13] neobsahují výslovně termín entropie, ale formulují omezení na cyklické procesy. Jsou ekvivalentní požadavku na existenci stavové funkce entropie:
Nelze cyklicky přenášet teplo z chladnějšího tělesa, aniž se při tom změní jisté množství práce na teplo (Clausius, 1850)[15];
Nelze cyklicky odnímat jednomu tělesu teplo a měnit je v kladnou práci, aniž přitom přejde jisté množství tepla z tělesa teplejšího na chladnější[16] (Thomson, 1851);
Nelze cyklicky získat práci jen tím, že by se jedna lázeň ochlazovala pod teplotu nižší, než je teplota nejchladnějšího místa v okolí,[16] (též Thomson, 1851).
Historické formulace[13] se týkají praktické nedosažitelnosti absolutní termodynamické teploty 0 K ("absolutní nuly").Např. Nernst v různých formulacích (1906-1912) konstatuje, že
Entropie každé ideálně krystalické a dokonale čisté látky je rovna nule při teplotě 0 K.[14] (Planck, 1930)
Elegantní formulace Falkova se těmto praktickým omezením vyhne:
Energie a entropie libovolného fyzikálního systému mají každá odděleně svou nejmenší hodnotu, kterou lze normovat k nule. Je-li energie minimální, je i entropie minimální (Falk, 1959)[17].
Jedním z možných členění oborů termodynamiky je pohled dle rovnováhy studovaného systému.Rovnovážná termodynamika se zabývá studiem termodynamických systémů blízkorovnovážného stavu.Nerovnovážná termodynamika se naopak zabývá studiem termodynamických systémů v nerovnovážném stavu a lze jí dále členit na lineární a nelineární, kdylineární nerovnovážná termodynamika se zabývá studiem systémů dostatečně blízko rovnovážného stavu, kdy je možné považovat závislost zobecněných termodynamických toků na zobecněných silách ještě za lineární.Nelineární nerovnovážná termodynamika studuje stavy systému vzdáleného od termodynamické rovnováhy.
Klasická termodynamika studuje systémy zmakroskopického hlediska. Oproti tomustatistická termodynamika bere v potaz obrovské soubory částic, z nichž je složen typický termodynamický systém, jehož vlastnosti popisuje statistickými metodami tak, že umožňuje nalézt vztahy mezi vlastnostmi zúčastněných částic a makroskopickými projevy systému – termodynamickými funkcemi. Při známých vlastnostech molekul (např. délky vazeb, hmotnost, stavba molekuly a charakteristiky mezimolekulárních sil), lze provést výpočet všech termodynamických funkcí daného systému bez další potřeby přímých experimentálních dat.[18]
Téměř všechny činnosti a procesy v přírodě zahrnují interakce mezi hmotou a energií. Aplikace základních termodynamických principů má proto velký význam v mnoha technických a vědeckých oborech, ať už jde o lidské tělo, jaderné elektrárny či proudové motory, vše se musí řídit zákony termodynamiky. Následující text stručně popisuje některé oblasti aplikované termodynamiky.
Model motoru představující Wattovo dvojčinné paralelní propojení postavený Samuelem Pembertonem mezi 1880–1890. Zdá se, že neužívá Wattova výparníku.
Inspirací termodynamiky byla zejména oblast problémů spjatých stepelnými stroji. Primitivníparní stroje a turbíny vznikaly do značné míry náhodným experimentováním, prakticky využitelný stroj stvořil ažJames Watt. Zrod vědního oboru termodynamiky akceleroval vývoj technicky dokonalých parních strojů (druhá polovina 19. stol.) např. parní turbíny přetlakové (Charles Algernon Parsons) a akční (Gustaf de Laval).[3] V téže době vznikly ispalovací motory zážehové (Nikolaus Otto) či vznětové (Rudolf Diesel) a v neposlední řadě reaktivní motory, zejména raketové (Hermann Oberth,Wernher von Braun,Robert Esnault-Pelterie). Zdokonalení těchto strojů bylo možné jen se znalostí termodynamických pracovních cyklů, výpočtů účinnosti a dalších termodynamických parametrů.[3] Konečně nelze pominout ani využití termodynamických principů vchladicích strojích.
Vmeteorologii lze se znalostí termodynamiky atmosféry, přenosu tepla amechaniky tekutin popsat a předvídat různé typy projevůpočasí. Významným příkladem aplikace je předpověď bouřek atropických cyklón. Tropický cyklón může být modelován jako tepelný motor poháněný atmosférickými teplotními rozdíly. Teplý vlhký vzduch stoupá vzhůru, kde se kondenzuje, což vede k velkému množství latentního tepla, které se uvolní a může být přeměněno na kinetickou energii bouře.
↑F. Lepař.Nehomérovský slovník řecko-český. Praha: Rezek, 2008. S. 310.
↑ Oxford English Dictionary, Oxford University Press, Oxford UK.oxforddictionaries.com [online]. [cit. 2011-07-01].Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2011-05-23.
↑Donald T. Haynie.Biological Thermodynamics. 2. vyd. [s.l.]: Cambridge University Press, 2008.Dostupné online. S. 26. (anglicky)
↑Pierre Perrot.A to Z of Thermodynamics. 2. vyd. [s.l.]: Oxford University Press, 1998.ISBN0-19-856552-6. (anglicky)
↑John O. E. Clark.The Essential Dictionary of Science. 2. vyd. [s.l.]: Barnes & Noble Books, 2004.Dostupné online.ISBN0-7607-4616-8. (anglicky)
↑Kelvin, William T. (1849) „An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat – with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam.“Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2.Scanned CopyArchivováno 24. 7. 2017 naWayback Machine.
↑Anatol Malijevský; Josef P. Novák; Stanislav Labík, Ivona Malijevská.Breviář fyzikální chemie [pdf]. Praha: Ústavu fyzikální chemie VŠCHT, 24-01-2001 [cit. 2012-08-02]. Kapitola Kapitola 3, Základy termodynamiky, s. 66.online pořízeném dne 29-10-2013.
↑abcdJindřich Leitner; Petr Voňka.Termodynamika materiálů [online]. Praha: VŠCHT, Fakulta chemické technologie [cit. 2011-08-04]. Kapitola1. Základní pojmy a principy, s. 16.PDF online pořízeném dne 2011-09-23.
↑CLAUSIUS, Rudolf. Ueber die bewegende Kraft der Wärme.Pogg. Ann.. 1898, roč. 1850, čís. 79.Dostupné online.
↑abTHOMSON, William.On the Dynamical Theory of Heat. [s.l.]: [s.n.], 1851.
↑FALK, G. Third Law of Thermodynamics.Phys. Rev.. Roč. 1959, čís. 115, s. 249.
Oldřich Fischer; a kolektiv.Fyzikální chemie. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1984.
Bohdan Hejma.Informační termodynamika [online]. Praha: VŠCHT, 2010 [cit. 2011-08-04]. Kapitola 1. Základní pojmy a principy, s. 159. Rejstřík, resumé v angl..online.ISBN978-80-7080-747-7.
Radko Hejzlar.Termodynamika. Praha: České vysoké učení technické, 2010. 166 s.ISBN978-80-01-04540-4.
Vladimír Malíšek.Co víte o dějinách fyziky. Praha: Horizont, 1986.
Olga Kapičková; František Vodák.Fyzika 20: termodynamika. přepracované, 2. vyd. Praha: ČVUT, 1998. 110 s.ISBN80-01-01728-1.
Jozef Kvasnica.Termodynamika. 1. vyd. Praha: SNTL, 1965. 394 s.
Zdánlivě stará ale nikoli zastaralá publikace teoretické termodynamiky se systematickým výkladem a širokým záběrem, asi neexistuje podobně systematická česká monografie o termodynamice; nevýhodou může být pro někoho zastaralý systém jednotek
Jindřich Leitner; Petr Voňka.Termodynamika materiálů: příklady. 1. vyd. Praha: Vydavatelství VŠCHT, 1997. 211 s.ISBN80-7080-283-9.
František Maršík; Ivan Dvořák.Biotermodynamika. Praha: Academia, 1998.ISBN80-200-0664-8.
František Maršík.Termodynamika kontinua. 1. vyd. Praha: Academia, 1999. 323 s.ISBN80-200-0758-X.
Walter John Moore.Fyzikální chemie. 2. vyd. Praha: SNTL, 1981. 974 s.
Velmi solidně zpracované termodynamické kapitoly, na úrovni úvodního VŠ kursu, navíc obsaženo mnoho okrajových aplikací termodynamiky v chemii, pevných látkách apod.
Jiří Nožička.Matematické základy fenomenologické termodynamiky. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2002. 66 s.ISBN80-01-02583-7.
Jan Obdržálek.Úvod do termodynamiky, molekulové a statistické fyziky. 1. vyd. Praha: MatfyzPress, MFF UK, 2015. 333 s.ISBN978-80-7378-287-0.OCLC928740901
Úvodní učebnice pro VŠ s podrobným výkladem
Jan Obdržálek.Řešené příklady z termodynamiky, molekulové a statistické fyziky. 1. vyd. Praha: MatfyzPress, MFF UK, 2015. 214 s.ISBN978-80-7378-300-6.OCLC928740911
Ilustrační příklady k předcházející učebnici, s rozbory
Miroslav Rousek; Ivan Klepárník; Jan Filípek.Termodynamika a energetické stroje - cvičení. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2001. 59 s.ISBN80-7157-500-3.
Lubomír Sodomka; Magdalena Sodomková.Nobelovy ceny za fyziku. Praha: SET OUT, 1997.ISBN80-902058-5-2.
Kvalitní úvodní vysokoškolský kurs ve stručnějším zpracování, směšuje obecnou termodynamiku s kinetickou teorií – dobré pro názorné pochopení, horší pro ilustraci obecné termodynamiky.
Karel Vacek.Termodynamika. Ústí nad Labem: Univerzita J. E. Purkyně, 2003. 62 s.ISBN80-7044-526-2.
