ترمودینامیک (به انگلیسی: Thermodynamics) شاخه ای از علوم طبیعی است که به بحث راجع به گرما و نسبت آن با انرژی و کار می پردازد. ترمودینامیک متغیرهای دما، انرژی داخلی، آنتروپی و فشار ) را برای توصیف حالت مواد تعریف و چگونگی ارتباط آن ها و قوانین حاکم بر آن ها را بیان می نماید. ترمودینامیک رفتار میانگینی از تعداد زیادی از ذرات مکانیک آماری نیز می توان بدست آورد.

ترمودینامیک موضوع بخش گسترده ای از علم و مهندسی است - همانند : موتور، گذار فاز، واکنش های شیمیایی، پدیده های انتقال و حتی سیاه چاله ها- . محاسبات ترمودینامیکی برای زمینه های فیزیک، شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک، زیست شناسی یاخته، مهندسی پزشکی، دانش مواد و حتی اقتصاد لازم است.

عمده مباحث تجربی ترمودینامیک در چهار قانون بنیادی آن بیان گردیده اند: قانون صفرم، اول، دوم و سوم ترمودینامیک. قانون اول وجود خاصیتی از سیستم ترمودینامیکی به نام انرژی داخلی را بیان می کند. این انرژی از انرژی جنبشی که ناشی از حرکت کلی سیستم و انرژی پتانسیل که سیستم نسبت به محیط پیرامونش دارد، متمایز است. قانون اول همچنین دو شیوه انتقال انرژی یک سیستم بسته را بیان میکند : انجام کار یا انتقال حرارت. قانون دوم به دو خاصیت سیستم، دما و آنتروپی، مربوط است. آنتروپی محدودیت ها - ناشی از سیستم - بر میزان کار ترمودینامیکی قابل تحویل به یک سیستم بیرونی طی یک فرایند ترمودینامیکی را بیان می کند. دما، خاصیتی که با قانون صفرم ترمودینامیک تا حدودی تبیین می گردد، نشان دهنده ی جهت انتقال انرژی حرارتی بین دو سیستم در نزدیکی یکدیگر است. این خاصیت همچنین به صورت کیفی با واژه های داغ یا سرد بیان می گردد.

از دیدگاه تاریخی ترمودینامیک با آرزوی افزایش بازده موتورهای بخار گسترش یافت. به ویژه به سبب تلاش های فیزیکدان فرانسوی، نیکولا لئونارد سعدی کارنو که اعتقاد داشت افزایش بازده موتورهای بخار می تواند رمز پیروزی فرانسه در نبردها ناپلئون باشد. فیزیکدان انگلیسی، لرد کلوین، نخستین کسی بود که در سال ۱۸۵۴ تعریفی کوتاه برای ترمودینامیک ارائه داد :

« ترمودینامیک عنوان مبحثی است که روابط حاکم بر ارتباط حرارت با نیروهای وارد بر یک پیکر پیوسته و همچنین رابطه بین حرارت با الکتریسیته را بیان می کند. »

در ابتدا ترمودینامیک ماشین های بخار به صورت عمده راجع به خصوصیات گرمایی مواد مورد کاربرد- بخار آب - بود. بعدها این مبحث به فرایندهای انتقال انرژی در واکنش های شیمیایی مرتبط گردید. ترمودینامیک شیمیایی اثر آنتروپی بر فرآیندهای شیمیایی را مورد بحث قرار می دهد. همچنین ترمودینامیک آماری ( یا مکانیک آماری ) با پیش بینی های آماری از رفتار ذرات سیستم، ترمودینامیک ماکروسکوپیک را توجیه می نماید.

تاریخچه

سعدی کارنو (۱۷۹۶ - ۱۸۳۲): پدر ترمودینامیک

شروع ترمودینامیک از ساخت اولین پمپ خلأ در سال ۱۶۵۰ میلادی و توسط اتو وان گریکه (به انگلیسی: Otto von Guericke) شروع شد و ثابت کرد که نظریه ارسطو مبنی بر اینکه طبیعت از خلا متنفر است، اشتباه است.مدتی بعد فیزیکدان و شیمی‌دان ایرلندی رابرت بویل طرز کار دستگاه جریکو را یاد گرفت و به همراه فیزیکدان انگلیسی رابرت هوک توانست اولین پمپ هوا را در سال ۱۶۵۶ بسازد.^[۴] و بین حجم و فشار رابطه‌ای تعریف کردند، که امروزه به قانون بویل مشهور است. سپس در سال ۱۶۷۹ شریک بویل دنیس پاپین اولین steam digester را ساخت که یک ظرف دربسته با در محکم بود که در آن بخار با فشار بالا تولید می‌شد.

مفاهیم پایه برای گرمای ویژه و گرمای ویژه نهان توسط جوزف بلک در دانشگاه گلاسکو، جایی که جیمز وات به عنوان ابزار ساز کار می کرد ارایه شد. جیمز وات با بلک در باره افزایش بازدهی موتور بخار مشورت کرد اما این خود وات بود که ضرورت وجود چگالنده بخار خارجی را برای افزایش بازدهی گرمایی موتور بخار پیشبینی نمود. سعدی کارنو، پدر ترمودینامیک، با توجه به تمامی کارهای قبلی مقاله ای با عنوان ایده هایی در باره حرکت جنبشی آتش منتشر نمود سراآغازی بر علم ترمودینامیک نوین شد.

اولین کتاب ترمودینامیک توسط ویلیام رانکین در سال 1859 منتشر گردید. همزمان قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک در دهه 1850 میلادی توسط رانکین، رودلف کلاوزیوس و ویلیام تامسون نگاشته شد.

مبانی ترمودینامیک آماری توسط جیمز کلرک ماکسول، لودویگ بولتزمان، ماکس پلانک، رودلف کلاوزیوس و جوسایا ویلارد گیبس بنیان گذاشته شد. در بین سالهای 1873 تا 1876 جوسایا ویلارد گیبس سه مقاله منتشر نمود که مشهور ترین آنها تعادل مواد ناهمگون می باشد. گیبس همچنین نشان داد که چگونه پروسه های ترمودینامیکی شامل فعل و انفعالات شیمیایی را می توان بصورت نموداری نشان داد، او نشان داد که چگونه می توان روی دادن خود به خودی واکنش ها را از روی انرژی، انتروپی، حجم، پتانسیل شیمیایی، دما و فشار در سیستم های ترمودینامیکی پیشبینی نمود. ترمودینامیک شیمیایی بعد تر توسط ، گیلبرت لوویس، و توسعه بیشتر یافت.

مبنای ترمودینامیک کلاسیک برا اساس تبادل انرژی در فرآیندی در درون چرخه می باشد، تبادل انرژی مابین سیستم های بسته تنها با در نظر گرفتن تعادل ترمودینامیکی آنها می باشد. همچنین شناسایی کار و گرما به عنوان انرژی در ترمودینامیک کلاسیک ضروری می باشد.

ترمودینامیک آماری

ترمودینامیک آماری، یا مکانیک آماری، در نیمه دوم قرن نوزدهم و نیمه اول قرن بیستم با پیشرفت و شناسایی تئوری های مولکولی و اتمی بنیان نهاده شد. این علم توضیحات و ادله برای قوانین ترمودینامیک کلاسیک بیان می کند. ترمودینامیک آماری واکنش های بین مولکولی و همچنین حرکت دسته جمعی مولکول ها بیان می کند.

پتانسیل های ترمودینامیکی

پتانسیل های ترمودینامیکی، متغیر های اسکالری می باشند که برای ارزیابی انرژی ذخیره شده در سیستم استفاده می شوند. پتانسیل ها برای اندازه گیری تغییرات انرژی هنگامی که از حالت اولیه به حالت نهایی استفاده می شوند. از پتانسیل های مختلف با توجه به متقییر های محدود کننده در سیستم همانند فشار و حجم استفاده مشود. به عنوان مثال هر دو پتانسیل گیبز و هلمهولتز به عنوان انرژی قابل دسترس برای انجام کار مفید شناخته می شوند هنگامی که به ترتیب فشار و دما یا حجم و دما در سیستم ثابت نگه داشته شوند. پنج پتانسیل مهم در ترمودینامیک بصورت جدول زیر تعریف شده اند:

انرژی درونی
انرژی آزاد هلهمولتز
آنتالپی
انرژی آزاد گیبس

در جدول فوق فشار، حجم، دما و آنتروپی می باشد. روابط ماکسول با توجه به این چهار پتانسیل تعریف می شوند.

قوانین ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر همدما می باشند. به طور مثال اگر جسم a باجسم b درتعال گرمایی باشد وجسم b باجسم c درتعادل گرمایی باشد می توان گفت جسم a و c در تعادل گرمایی می باشد. اساس ساخت دمانسج قانون صفرم ترمودینامیک می باشد به این صورت که هوای محیط باشیشه ی دماسنج در تعادل حرارتی است وشیشه دماسنج نیز با جیوه در تعادل حرارتی است در نتیجه طبق قانون صفرم ترمودینامیک هوا با جیوه نیز در تعادل می باشد.

قانون اول ترمودینامیک

انرژی درونی یک سیستم منزوی ثابت و پایدار است. قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید: تغییر انرژی درونی یک سیستم برابر است با مجموع گرمای داده شده به سیستم و کار انجام شده بر آن:

قانون دوم ترمودینامیک

ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال مداوم گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، غیر ممکن است. بیان کلوین-پلانک: غیرممکن است وسیله‌ای بسازیم که در یک سیکل عمل کند و در عین حال فقط با یک مخزن تبادل حرارت داشته باشد یعنی غیر ممکن است یک موتور حرارتی بدون از دست دادن گرمادر Qc به کار خود ادامه دهد. بیان کلازیوس:امکان ندارد که یک یخچال طی یک چرخه، تمام انرژی را که از منبع سرد دریافت می‌کند به منبع گرم انتقال دهد . یعنی نمی توان یخچالی ساخت که بدون کار ورودی عمل کند.به عبارت ساده قانون دوم بیانگر مسیر انجام یک فرایند می باشد.

قانون سوم ترمودینامیک

قانون سوم ترمودینامیک می‌گوید هنگامی که انرژی یک سیستم به حداقل مقدار خود میل می‌کند، انتروپی سیستم به مقدار قابل چشم‌پوشی می‌رسد. یا بطور نمادین: هنگامی که ،

کمیت‌های پایه و وابسته

• انتروپی، کمیتی است که بیانگر میزان آشفتگی یا بی نظمی است.
• آنتالپی، مقدار کل انرژی درون سیستم شامل انرژی درونی به همراه پتانسیل ترمودینامیکی سیستم را نشان می دهد.
• انرژی آزاد گیبس، کمیتی است که احتمال انجام خود به خودی واکنش ترمودینامیکی را نشان می دهد.
• انرژی آزاد هلمهولتز، مقدار کار مفید قابل دستیابی در حین پروسه دما ثابت و حجم ثابت می باشد.
• انرژی درونی، مقدار کل انرژی داخل سیستم را نشان می دهد.
• فشار، نیروی عمود برا واحد سطح می باشد.
• دما، کمیتی است که میزان گرم بودن و سرد بودن سیستم را نسان می دهد.
• حجم، بیانگر میزان فضای اشغال شده می باشد.
• ضریب انبساط حرارتی، به میزان انبساط واحد طول در اثر افزایش دما به میزان واحد گفته می شود.
• ظرفیت گرمایی، به میزان افزایش دمای واحد حجم در اثر تبادل گرما به اندازه واحد گفته می شود.
• ، اندازه تغییر واحد حجم سیستم در اثر فشار می باشد.
• فیوگاسیته(بی‌دوامی)