A termodinamika vagy magyar nevén hőtan a fizika energiaátalakulásokkal foglalkozó tudományterülete.
Egy magára hagyott termodinamikai rendszerben az intenzív állapotjelzők eloszlása homogénné válik, vagyis a rendszer egyensúlyi állapotba kerül. Az egyensúlyi állapottal a termosztatika foglalkozik. Minden pontjában ugyanakkora nyomás, hőmérséklet stb. lesz. Termodinamikai elveken (is) alapszik pl.: időjárás-előrejelzés, robbanómotorok, repülőgép-hajtóművek, hűtőszekrény, kuktafazék, kémény. Néhány fogalom, mely kapcsolódik a termodinamikához: tömeg tömegáram hőátadás munka hő belső energia nyomás fázis entrópia entalpia fajhő ideális gáz Carnot-körfolyamat.
Klasszikus termodinamika 0. főtétel: a termodinamikai rendszer egyensúlya
A nulladik főtétel tulajdonképpen nem egyetlen „törvényt”, hanem több posztulátumot jelent, amelyek a termodinamikai rendszer egyensúlyával kapcsolatosak. Ezek: bármely magára hagyott termodinamikai rendszer egy idő után egyensúlyi állapotba kerül, amelyből önmagától nem mozdulhat ki; egy egyensúlyban levő termodinamikai rendszer szabadságfokainak száma a környezetével megvalósítható kölcsönhatások számával egyenlő; a két testből álló magára hagyott termodinamikai rendszer egyensúlyban van, ha a testek között fellépő kölcsönhatásokat jellemző intenzív állapothatározóik egyenlők; az egyensúly tranzitív (ha A rendszer termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel, akkor ebből következik, hogy A és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van egymással).
I. főtétel: az energiamegmaradás törvénye
A termodinamika első főtétele mennyiségi összefüggést állapít meg a mechanikai munka, a cserélt hő és a belső energia változása között. Egy nyugvó és zárt termodinamikai rendszer belső energiáját, amennyiben annak belsejében nem zajlik le fázisátalakulás vagy kémiai reakció, kétféleképpen lehet megváltoztatni: munkavégzéssel és hőközléssel. A rendszer belső energiájának megváltozása ΔU tehát a vele közölt Q hőmennyiség és a rajta végzett W (bármilyen) munka összege:
Áramló közegre a hő és a technikai munka összege így számolható:
ahol q a hő, wt12 a technikai munka, h az entalpia, c a közegáramlás sebessége, g a gravitációs állandó és z a vizsgált pont magassága (helyzete). Differenciális alakban:
Következménye: Nincs olyan periodikusan működő gép, ú.n. elsőfajú perpetuum mobile, mely hőfelvétel nélkül képes lenne munkát végezni.
II. főtétel
A második főtétel a spontán folyamatok irányát szabja meg. Több, látszólag lényegesen különböző megfogalmazása van.
Clausius-féle megfogalmazás (1850): A természetben nincs olyan folyamat, amelyben a hő önként, külső munkavégzés nélkül hidegebb testről melegebbre menne át. Csakis fordított irányú folyamatok lehetségesek. Kelvin-Planck-féle megfogalmazás (1851, 1903): A természetben nincs olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszít, és ez a hő munkává alakulna át. Szemléletesen egy hajó lehetne ilyen, amelyik a tenger vizéből hőenergiát von el, és a kivont hőenergiával hajtja magát. Ez nem mond ellent az energiamegmaradásnak, mégsem kivitelezhető.
Az ilyen gépet másodfajú perpetuum mobilének nevezzük, tehát az állítás szerint nem létezik másodfajú perpetuum mobile.
A két megfogalmazás egymásból következik, de a levezetése nem teljesen egyszerű.
A második alaptörvénynek ezek és az ezekhez hasonló megfogalmazásai zavarbaejtőek, hiszen a fizika többi, összefüggéseket megállapító törvényeivel szemben valaminek a létezését tagadják. Egy jobb megfogalmazás végett egy új fogalom került bevezetésre: az entrópia. A termodinamika második alaptörvénye az entrópia felhasználásával a következőképpen fogalmazható meg: a magukra hagyott rendszerek entrópiája spontán folyamatokkal nem csökkenhet.
III. főtétel
Nernst megfogalmazása szerint az abszolút tiszta kristályos anyagok entrópiája nulla kelvin hőmérsékleten zérus.
Jegyzetek
Források Litz József: Hőtan, Dialóg Campus 2001 ISBN 963-912-374-9 Hraskó Péter: Termodinamika és statisztikus fizika
További információk Mátyás László: Termodinamika, Kolozsvári Egyetemi Kiadó 2020 Nagy Károly: Termodinamika és statisztikus fizika, Tankönyvkiadó 1991 Verhás József: Termodinamika és reológia, Műszaki könyvkiadó 1985 Gyarmati István: Nemegyensúlyi termodinamika, Műszaki könyvkiadó 1967 Fényes Imre: Termosztatika és termodinamika, Műszaki könyvkiadó 1968 Keszei Ernő: Kémiai termodinamika tankönyv' ( Springer kiadónál megjelent könyv: Ernő Keszei: Chemical Thermodynamics; An Introduction magyar fordítása 2007) László Krisztina, Grofcsik András, Kállay Mihály és Kubinyi Miklós: Fizikai kémia I. – Kémiai termodinamika Typotex 2012 ISBN 978-963-279-473-0. A nontechnical introduction, good on historical and interpretive matters. Walter Greiner, Ludwig Neise, Horst Stöcker: Thermodynamics and statistical mechanics, Springer (1995)
Enrico Fermi: Thermodynamics, Dover, (1956) Tisza László: Generalized Thermodynamics The MIT Press (1975) ISBN 9780262700177 Herbert Callen: Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics,'' John Wiley & Sons (1960)