Кіріспе
Термодинамикалық жүйенің белгілі бір уақыттағы сандық сипаттамалары. Термодинамикада жүйенің термодинамикалық күйі – белгілі бір уақыттағы оның жағдайы; яғни, оның жай-күйін сипаттайтын айнымалылар, күй параметрлері немесе термодинамикалық айнымалылар жиынының мәндерімен толық анықталады. Егер жүйе үшін термодинамикалық айнымалылардың мәндері көрсетілсе, жүйенің барлық термодинамикалық қасиеттері бірегей түрде анықталады. Көбінесе, термодинамикалық күй термодинамикалық тепе-теңдік күйі деп есептеледі. Бұл, күй белгілі бір уақыттағы жүйенің жағдайы ғана емес, сонымен қатар бұл жағдай шексіз ұзақ уақыт бойы өзгермейтін, тұрақты екенін білдіреді.
In thermodynamics, a thermodynamic state of a system is its condition at a specific time; that is, fully identified by values of a suitable set of parameters known as state variables, state parameters or thermodynamic variables. Once such a set of values of thermodynamic variables has been specified for a system, the values of all thermodynamic properties of the system are uniquely determined. Usually, by default, a thermodynamic state is taken to be one of thermodynamic equilibrium. This means that the state is not merely the condition of the system at a specific time, but that the condition is the same, unchanging, over an indefinitely long duration of time.
Термодинамикалық күйді анықтайтын қасиеттер
Температура (T) – жүйедегі бөлшектердің орташа кинетикалық энергиясын көрсетеді. Бұл жүйенің қаншалықты ыстық немесе суық екенін өлшейтін шама. Қысым (P) – жүйе бөлшектері контейнер қабырғаларының бірлік ауданына түсіретін күш. Көлем (V) – жүйе қамтитын кеңістік. Құрамы – бірнеше компоненттен тұратын жүйелерде (мысалы, қоспаларда) әр компоненттің мөлшерін анықтайды.
Термодинамикалық жол
Жүйе бір күйден екінші күйге ауысқанда, ол жолдан өтеді деп айтылады. Жол қасиеттердің өзгеруі арқылы сипатталуы мүмкін, мысалы, изотермиялық (тұрақты температура) немесе изобарикалық (тұрақты қысым) жолдар сияқты. Термодинамика анықтамалар мен постулаттардың формальды схемасымен жиынтықталуы мүмкін идеалды түсінік жүйесін құрайды. Термодинамикалық күйлер – бұл схеманың негізгі немесе бастапқы объектілері немесе ұғымдары, олардың болуы алдымен және нақты, басқа ұғымдардан туындаған немесе құрастырылған емес. Термодинамикалық жүйе – жай ғана физикалық жүйе емес. Керісінше, әдетте, берілген термодинамикалық жүйенің құрамында сансыз көп баламалы физикалық жүйелер болады, себебі физикалық жүйе термодинамикалық сипаттамада айтылғаннан гөрі әлдеқайда көп микроскопиялық ерекшеліктерге ие. Термодинамикалық жүйе – макроскопиялық объект, оның микроскопиялық егжей-тегжейлері термодинамикалық сипаттамасында нақты қарастырылмайды. Термодинамикалық күйді анықтау үшін қажетті күй айнымалыларының саны жүйеге байланысты және эксперимент алдында әрқашан белгілі болмайды; әдетте ол эксперименттік деректерден анықталады. Бұл сан әрқашан екі немесе одан көп болады; көбінесе ол оннан аспайды. Күй айнымалыларының саны экспериментпен белгіленгенімен, нақты қолайлы сипаттама үшін қайсысын пайдалану керектігін таңдау қалады; берілген термодинамикалық жүйе күй айнымалылары жиынтығының әртүрлі таңдауларымен анықталуы мүмкін. Таңдау әдетте жүйе үшін қарастырылатын термодинамикалық процестерге қатысты қабырғалар мен қоршаған орта негізінде жасалады. Мысалы, егер жүйе үшін жылу алмасуын қарастыру жоспарланса, онда жүйенің қабырғасы жылу өткізгіш болуы керек және бұл қабырға жүйені қоршаған ортадағы белгілі бір уақытқа өзгермейтін температурасы бар денемен байланыстыруы керек. Тепе-теңдік термодинамикасы үшін жүйенің термодинамикалық күйінде оның құрамы ішкі термодинамикалық тепе-теңдікте болады, барлық шамалардың ішкі және жүйе мен қоршаған орта арасындағы ағыны нөлдік болады. Планк үшін, сыртқы күш өрісі болмаған жағдайда, бір фазадан тұратын жүйенің термодинамикалық күйінің негізгі сипаттамасы – кеңістіктегі біртектілік. Тепе-теңдіксіз термодинамика үшін, жағдайды анықтауға қолайлы айнымалылар жиынтығына кейбір макроскопиялық айнымалылар кіреді, мысалы, термодинамикалық тепе-теңдіктен ауытқуды көрсететін температураның кеңістіктегі нөлдік емес градиенті. Мұндай тепе-теңдіксіз жағдайды анықтайтын айнымалылар жүйе ішінде немесе жүйе мен қоршаған орта арасында нөлдік емес ағын болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Мемлекеттік айнымалылар мен мемлекеттік функциялар
Термодинамикалық жүйенің күйін әртүрлі тәсілдермен анықтауға немесе сипаттауға болады. Ең тікелей жолы – оны тиісті күй айнымалылары жиынтығы арқылы анықтау. Аз тікелей жолы – оны күй айнымалылары мен күй функцияларын қамтитын шамалар жиынтығымен сипаттау. Заттың термодинамикалық күйін бастапқыда анықтау тікелей өлшенетін қарапайым физикалық шамалар арқылы жүзеге асырылады. Белгілі бір химиялық құрамы бар дене үшін, кейбір жағдайларда, мұндай шамалардың жеткілікті жиынтығы «көлем және қысым» болып табылады. Жүйенің термодинамикалық күйін бастапқыда анықтайтын тікелей өлшенетін қарапайым физикалық айнымалылардан өзге, жүйе күй функциялары деп аталатын қосымша шамалармен сипатталады, олар күй айнымалылары, термодинамикалық айнымалылар, күй шамалары немесе күй функциялары деп те аталады. Олар термодинамикалық күймен толық анықталады, себебі ол бастапқы күй айнымалыларымен анықталған. Мұндай күй функциялары көптеген. Мысалдар: ішкі энергия, энтальпия, Гельмгольц еркін энергиясы, Гиббс еркін энергиясы, термодинамикалық температура және энтропия. Белгілі бір химиялық құрамдағы дене үшін, оның термодинамикалық күйі қысымы мен көлемімен толық анықталғанда, температурасы бірегей түрде анықталады. Термодинамикалық температура – бұл термодинамикалық ұғым, ал бастапқы тікелей өлшенетін күй айнымалылары термодинамикалық ұғымдарға сілтеме жасамай, қарапайым физикалық өлшеулер арқылы анықталады; осы себепті термодинамикалық температураны күй функциясы ретінде қарастыру тиімді. Термодинамикалық жүйенің белгілі бір бастапқы термодинамикалық күйінен белгілі бір соңғы термодинамикалық күйіне өту термодинамикалық процесс деп аталады; әдетте бұл жүйе мен орта арасындағы зат немесе энергия алмасуы болып табылады. Кез келген термодинамикалық процесте, өту кезіндегі аралық жағдайлар қандай болмасын, әрбір термодинамикалық күй айнымалысының құнының жалпы өзгерісі тек бастапқы және соңғы күйлерге ғана байланысты болады. Идеалданған үздіксіз немесе квазистатикалық процесс үшін бұл мұндай айнымалылардағы шексіз кішігірім инкременттік өзгерістер нақты дифференциалдар болып табылады дегенді білдіреді. Барлық процестердегі бірте-бірте өзгерістер және бастапқы және соңғы күйлер идеалданған процесті толық анықтайды. Ең көп қолданылатын қарапайым мысалда, идеал газ үшін термодинамикалық айнымалылар келесі төрт айнымалының кез келген үшеуі болуы мүмкін: заттың мөлшері, қысым, температура және көлем. Осылайша, термодинамикалық күй үш өлшемді күй кеңістігінде орналасады. Қалған айнымалы, сондай-ақ ішкі энергия мен энтропия сияқты басқа шамалар осы үш айнымалының күй функциялары ретінде өрнектеледі. Күй функциялары термодинамика заңдарында көрсетілген белгілі бір әмбебап шектеулерді қанағаттандырады және олар нақты жүйені құрайтын материалдардың ерекшеліктеріне байланысты болады. Термодинамикалық күйлер арасындағы өтулерді модельдеу үшін әртүрлі термодинамикалық диаграммалар жасалған.
Тепе-теңдік күйі
Табиғатта кездесетін физикалық жүйелер көбінесе динамикалық және күрделі болады, бірақ көп жағдайда макроскопиялық физикалық жүйелерді идеалды жағдайларға жақындық бойынша сипаттауға болады. Мұндай идеалды жағдайлардың бірі – тұрақты тепе-теңдік күйі. Бұл күй классикалық немесе тепе-теңдік термодинамикасының негізгі ұғымы болып табылады, онда ол термодинамикалық күй деп аталады. Көптеген байқауларға сүйене отырып, термодинамика сыртқы ортадан оқшауланған барлық жүйелер бірегей тұрақты тепе-теңдік күйіне қарай эволюцияланады деп постулаттайды. Тепе-теңдіктің түрлі физикалық айнымалыларға сәйкес келетін әртүрлі түрлері бар, ал жүйе термодинамикалық тепе-теңдікке барлық қатысты тепе-теңдік түрлерінің шарттары бір мезгілде орындалғанда жетеді. Тепе-теңдіктің кейбір түрлері төменде келтірілген. Термиялық тепе-теңдік: Жүйедегі температура біркелкі болғанда жүйе термиялық тепе-теңдікте болады. Механикалық тепе-теңдік: Егер жүйенің кез келген нүктесінде уақыт өте келе қысым өзгермесе және материал қозгалмаса, жүйе механикалық тепе-теңдікте болады. Фазалық тепе-теңдік: Бұл әрбір жеке фазаның массасы уақытқа байланысты өзгермейтін мәнге жеткенде пайда болады. Химиялық тепе-теңдік: Химиялық тепе-теңдікте жүйенің химиялық құрамы орнықты және уақыт өте келе өзгермейді.