Tunnusfunktio - termodynaamisen järjestelmän tilan funktio , jota pidetään tietyn termodynaamisten parametrien - luonnollisten riippumattomien muuttujien - matemaattisena funktiona ja jolle on tunnusomaista, että tämän funktion kautta (jos se ei ole identtinen nolla) sen osittainen derivaatat suhteessa luonnollisiin muuttujiin ja luonnolliset muuttujat itse voivat olla kaikki termodynaamiset ominaisuudetjärjestelmän [1] . Kun ainakin yksi luonnollisista muuttujista on korvattu toisella riippumattomalla muuttujalla, funktio lakkaa olemasta ominaisuus [2]. Kiinteillä luonnollisilla muuttujilla ominaisfunktion muutoksen luonne (lasku tai kasvu) osoittaa spontaanin prosessin suunnan [3] . Tunnistefunktio on additiivinen : koko järjestelmän tunnusfunktio on yhtä suuri kuin sen osien ominaisfunktioiden summa [4] . Tilafunktio, joka on tyypillinen funktio joillekin termodynaamisille järjestelmille, ei välttämättä ole tyypillinen muille järjestelmille. Siten Gibbsin potentiaali ja Planck - funktio fotonikaasulle eivät ole ominaisfunktioita , koska ne ovat identtisesti yhtä suuria kuin nolla [5] .
Tyypillisiä toimintoja ovat
Viimeisellä yllä mainituista suhteista ei ole käytännön merkitystä: sellaista yleistettyä koordinaattia kuin tilavuus ei käytetä energian ja entropian ominaisfunktiona, vaan valinta kahden ensimmäisen funktion välillä tehdään käsiteltävän ongelman fyysisen merkityksen mukaisesti. tai mukavuussyistä [10] [11] .
François Massier käytti ensimmäisenä (1869) sisäistä energiaa ja entropiaa itsenäisinä muuttujina, otti luonteenomaisten funktioiden käsitteen (kuten itse termin) termodynamiikkaan ja ehdotti kahta tällaista funktiota käytettäväksi. Hän oli myös ensimmäinen, joka muotoili suhteet, joita modernissa kirjallisuudessa kutsutaan Gibbs-Helmholtz-yhtälöiksi . Kiitos termodynaamisten potentiaalien käyttöönotosta kuuluu JW Gibbsille (1875–1876); termin "termodynaaminen potentiaali" loi Pierre Duhem .
Yksinkertaisille järjestelmille [12] meillä on [13] :
missä on järjestelmän tilavuus tai differentiaalimuodossa:
missä on absoluuttinen lämpötila ja paine . Tästä suhteesta saadaan lausekkeet lämpötilalle ja paineelle:
jonka käytännön käyttö edellyttää kanonisen tilayhtälön tuntemista Paineen lauseke ei ole muuta kuin tarkasteltavana olevan järjestelmän terminen tilayhtälö [2] .
Toiselle johdannaiselle meillä on:
Koska järjestelmän lämpökapasiteetti vakiotilavuudella on
vihdoin saamme [13] :
Isentrooppiselle [14] kimmomoduulille saadaan samanlaisten laskelmien avulla [13] :
Joten tietylle järjestelmälle ensimmäiset johdannaiset suhteessa luonnollisiin muuttujiin määrittävät järjestelmän lämpöominaisuudet ja toinen - kalorien. Siten sisäenergia on ominaisfunktio luonnollisille muuttujille ja [15] .
Järjestelmän termodynaamisen tasapainon tilassa sen sisäisellä energialla on vähimmäisarvo sen luonnollisten muuttujien [2] vakion kanssa - järjestelmän tilavuuden entropia ja järjestelmän muodostavien aineiden massat . Yksinkertaisille isentrooppisille järjestelmille, joiden tilavuus on vakio, välttämätön ja riittävä tasapainotila, joka ilmaistaan sisäisenä energiana, on muotoa [16] :
(Vakaan tasapainon ehto) |
Symboli tarkoittaa tässä variaatiota eli virtuaalista sisäisen energian muutosta [17] . Yhtävyysmerkki tässä lausekkeessa viittaa välinpitämättömään tasapainoon .
Laajentumalla Taylor-sarjassa ja rajoittumalla ensimmäisen ja toisen kertaluvun äärettömään pieniin muunnelmiin yksinkertaisille järjestelmille, joiden koostumus on vakio , saamme tarvittavasta ääriehdosta :
(Tasapainotila) |
Toisin kuin differentiaali , joka vastaa äärettömän pientä muutosta sisäisessä energiassa todellisessa prosessissa, variaatio viittaa äärettömään pieneen virtuaaliseen muutokseen.
Riittävästä vähimmäisehdosta saamme:
(Vakaustila) |
On tilanteita, joissa tasapainoehtoa ja stabiilisuusehtoa ilmaisevat epäyhtälöt täyttyvät , mutta yleisempi vakaan tasapainon ehto ei. Tällaiset tapaukset vastaavat metastabiilia tasapainoa , josta tunnettuja esimerkkejä ovat tulistettu tai alijäähdytetty neste, ylikyllästetty liuos.
Sitä vastoin kriittisessä tilassa oleville järjestelmille stabiilisuusehto ei täyty, kun taas yleisempi stabiilin tasapainon ehto pysyy paikkansa. Kriittisessä pisteessä ei katoa vain ensimmäinen sisäisen energian muunnelma, vaan myös toinen ja kolmas variaatio, ja vain neljäs vaihtelu on positiivinen [18] [19] .
Muunnetaan tasapainoehto [20] :
Jos järjestelmään ei kohdistu rajoituksia adiabaattisten ja/tai jäykkien mekaanisten väliseinien läsnäolon muodossa, muuttujien riippumattomuuden vuoksi ja (mikä tarkoittaa näiden muuttujien variaatioiden riippumattomuutta) tämä suhde on tyytyväinen jos ja vain jos
(Lämpötasapainotila) |
(Mekaaninen tasapainotila) |
eli termodynaamisen tasapainon välttämätön edellytys yksinkertaisessa järjestelmässä on tiettyjen tasapainojen noudattaminen siinä - termisessä ja mekaanisessa: lämpötilojen ja paineiden yhtäläisyys järjestelmän kaikissa osissa [21] .
Tämä todellinen symmetrinen neliömuoto on positiivinen definiitti silloin ja vain, jos muotokertoimista ja sen päämooreista muodostuva stabiilisuusdeterminantti ovat positiivisia, eli kun ehdot täyttyvät samanaikaisesti:
(Kestävyyden määräävä tekijä) |
Muunnetaan termisen stabiilisuuden ehto ilmaistamalla se lämpötilalla ja lämpökapasiteetilla:
(Lämpöstabiilisuustila) |
Mekaanisen stabiilisuuden ehto ilmaistaan tilavuutena ja kimmomoduulina:
(Mekaaninen vakaustila) |
Voidaan osoittaa [20] , että tilasta seuraa epätasa -arvoa, eli stabiileissa tiloissa puristus johtaa paineen nousuun, järjestelmä "jousittaa" ja tiheysvaihtelut absorboituvat. Muuten klo , nämä vaihtelut kasvaisivat kuin lumivyöry, ja tällaiset tilat olisivat ehdottoman epävakaita.
Entropia, ilmaistuna muuttujina , voi toimia myös ominaisfunktiona, koska sen tasapainoprosesseissa esiintyvän eron ilmaisu on muotoa:
Mistä seuraa seuraavat paineen ja lämpötilan lausekkeet:
Lämpökapasiteetille vakiotilavuudessa saamme:
Käytännössä sisäisen energian tai entropian sijaan on paljon kätevämpää käyttää absoluuttista lämpötilaa itsenäisenä lämpömuuttujana , mutta funktiot ja eivät ole ominaisia. Kuitenkin siirtyminen luonnollisten termodynaamisten muuttujien joukosta toiseen, joka on helpompaa tietyssä tilanteessa, voidaan suorittaa samanaikaisesti yhden ominaisfunktion muuntamisen kanssa toiseksi. Riippumattomien muuttujien korvaaminen yhden ominaisfunktion samanaikaisella korvaamisella toisella, myös ominaisuudella, suoritetaan Legendre-muunnoksen [22] [23] avulla: jos sellaisen muunnoksen tulos ei ole identtinen nolla, niin riippuvainen ja riippumattomat muuttujat konjugaattiparissa "yleistetty voima - yleinen koordinaatti" vaihtavat rooleja. On selvää, että tulos, kun Legendre-muunnos sovelletaan ominaisfunktioon, joka on identtisesti nolla, ei ole enää karakteristinen funktio, koska se ei yksinkertaisesti ole enää funktio.
Siten muunnoksen suorittaminen sisäiselle energialle
—>saamme ominaisfunktion nimeltä Helmholtzin termodynaaminen potentiaali , jonka luonnolliset muuttujat ovat [8] :
( Helmholtzin termodynaamisen potentiaalin määritelmä ) |
Entropiamuunnoksen suorittaminen
—>saadaan ominaisfunktio, nimeltään Massier-funktio, jonka luonnolliset muuttujat ovat [8] :
( Massier -funktion määritelmä) |
Legendren muunnosa voidaan jälleen soveltaa Helmholtzin potentiaaliin ja Massier-funktioon. Sisäenergiasta saadaan peräkkäin suorittamalla Legendre-muunnos useissa muuttujissa joukko karakteristisiä funktioita, joita kutsutaan termodynaamiksi potentiaaliksi .
Nimi | Määritelmä | Toiminto | Täysi differentiaali |
Sisäinen energia | |||
Entalpia
(lämpösisältö) |
|||
Helmholtzin potentiaali
( Helmholtzin vapaa energia , isokoori-isoterminen potentiaali) |
|||
Gibbsin potentiaalia
( Gibbsin vapaa energia , vapaa entalpia, isobaari-isoterminen potentiaali) |
|
||
Landau potentiaalia |
|
||
Sitoutunut energia [24] [25] [26] |
|
||
— [27] [28] |
|
||
Nolla Gibbsin potentiaalia [29] [30] |
|
Taulukossa - i:nnen komponentin massa , - tämän komponentin kemiallinen potentiaali , - järjestelmän komponenttien lukumäärä.
Legendre-muunnoksen peräkkäinen soveltaminen entropiaan tuottaa ryhmän tunnusomaisia funktioita, joita kutsutaan Massier-Planck-funktioiksi. Niiden käyttö tilastollisessa fysiikassa tekee tämän tieteenalan kaavoista tiiviimpiä ja selkeämpiä [31] [32] [33] [34] .
Nimi | Määritelmä | Toiminto | Täysi differentiaali |
Haje | |||
Massier toiminto
(Massieun potentiaali; Helmholtzin vapaa entropia; vapaa entropia) |
|||
Planck- toiminto
(Planck-potentiaali; Gibbsin vapaa entropia) |
|||
Kramers- toiminto |
Termodynaamisten laskelmien käytännössä (joitakin epätasapainoisen termodynamiikan ongelmia lukuun ottamatta [36] ) on parempi käyttää termodynaamisia potentiaaleja Massier-Planck-funktioiden [37] sijaan .
Termodynaamisilla potentiaalilla on energiaulottuvuus ja Massier -Planck-funktioilla lämpökapasiteettimitta .
Valitessaan tarkasteltavalle ongelmalle sopivimman ominaisfunktion he lähtevät tarkoituksenmukaisuusnäkökohdista, ensisijaisesti riippumattomien muuttujien joukosta, joka soveltuu parhaiten tietyn ongelman ratkaisemiseen, ja henkilökohtaisista mieltymyksistä [38] .
Termodynaamiset potentiaalit | |
---|---|
Portaali "fysiikka" |