Tabel cu ecuații termodinamice

De la testwiki
Sari la navigare Sari la căutare

{{#invoke:Sidebar |collapsible | bodyclass = plainlist | titlestyle = padding-bottom:0.3em;border-bottom:1px solid #aaa; | title = Termodinamică | imagestyle = display:block;margin:0.3em 0 0.4em; | image = | caption = Schema unei mașini termice Carnot | listtitlestyle = text-align:center; | expanded = ecuații

| list1name = ramuri | list1title = Ramuri | list1 = Format:Flatlist

Format:Endflatlist

| list2name = principii | list2title = Principii | list2 = Format:Flatlist

Format:Endflatlist

| list3name = sisteme | list3title = Sisteme | list3 = Format:Flatlist

Format:Endflatlist

Format:Sidebar

| list4name = proprietăți | list4title = Propertăți ale sistemelor

| list4 =

Notă: Parametri conjugați cu italice
Format:Sidebar

| list5name = material | list5title = Proprietăți ale materialelor | list5 =

Capacitate termică masică  c=
TS
NT
Coeficient de compresibilitate  β=
1V
Vp
Coeficient de dilatare volumică  α=
1V
VT


| list6name = ecuații | list6title = Ecuații | list6 = Format:Flatlist

Format:Endflatlist Format:Flatlist

Format:Endflatlist

| list7name = potențiale | list7title = Potențiale | list7 = Format:Unbulleted list Format:Flatlist

Format:Endflatlist

| list8name = istorie | list8title = Format:Hlist | list8 =

Format:Sidebar

| list9name = personalități | list9title = Personalități | list9 = Format:Flatlist

Format:Endflatlist | below =

}}

Tabelul cuprinde expresiile matematice ale ecuațiilor termodinamice și ale mărimilor fizice comune în termodinamică. Scopul este obținerea rapidă a expresiilor matematice prin salt la o secțiune orientată pe subdomeniul dorit, unde sunt grupate relațiile uzuale în subdomeniu. Pentru a evita defilarea tabelului, relațiile de care este nevoie în subdomenii diferite pot să se repete în secțiunile respective.

Definiții

Format:Articol principal În acest articol se folosește convenția semnelor din termodinamica tehnică, în care căldura are semnul + dacă intră în sistemul termodinamic, iar lucrul mecanic are semnul + dacă iese din sistem. În termodinamica chimică convenția semnelor este că lucrul mecanic are semnul + dacă intră în sistem (deci în relațiile din lucrările respective semnul termenilor de lucru mecanic este inversat).

Mărimi de bază generale

Mărime (numele uzual) Simbolul uzual Unitate SI Dimensiune
Număr de molecule N 1 1
Cantitate de substanță n mol N
Temperatură T K Θ
Căldură Q, q J ML2T−2
Căldură latentă QL J ML2T−2

Mărimi derivate generale

Mărime (numele uzual) Simbolul uzual Ecuația de definire Unitate SI Dimensiune
Format:Ill-wd, inversul temperaturii β β=1/kBT J−1 T2M−1L−2
Format:Ill-wd τ τ=kBT

τ=kB(U/S)N 1/τ=1/kB(S/U)N

J ML2T−2
Entropie S S=kBipilnpi

S=(F/T)V,N , S=(G/T)p,N

J⋅K−1 ML2T−2Θ−1
Presiune p p=(F/V)T,N

p=(U/V)S,N

Pa ML−1T−2
Energie internă U U=iEi J ML2T−2
Entalpie H H=U+pV J ML2T−2
Format:Ill-wd Z 1 1
Entalpie liberă (Gibbs) G G=HTS J ML2T−2
Potențial chimic (al componentei i din amestec) μi μi=(U/Ni)Nji,S,V

μi=(F/Ni)T,V,
unde F nu este proporțional cu N deoarece μi depinde de presiune. μi=(G/Ni)T,p, unde G este proporțional cu N (cât timp compoziția raportului molar a sistemului rămâne aceeași) deoarece μi depinde doar de temperatură, presiune și compoziție. μi/τ=1/kB(S/Ni)U,V

J ML2T−2
Energie liberă (Helmholtz) F, A F=UTS J ML2T−2
Potențial macrocanonic (Landau) Ω, ΦG Ω=UTSμN  J ML2T−2
Potențial Massieu Φ Φ=SU/T J⋅K−1 ML2T−2Θ−1
Potențial Planck Ξ Ξ=ΦpV/T J⋅K−1 ML2T−2Θ−1

Proprietățile termice ale materiei

Format:Articol principal

Mărime (numele uzual) Simbolul uzual Ecuația de definire Unitate SI Dimensiune
Capacitate termică C C=Q/T J⋅K−1 ML2T−2Θ−1
Capacitate termică la presiune constantă Cp Cp=H/T J⋅K−1 ML2T−2Θ−1
Capacitate termică masică la presiune constantă cp cp=2Q/mT J⋅kg−1⋅K−1 L2T−2Θ−1
Capacitate termică molară la presiune constantă Cnp Cnp=2Q/nT J⋅K−1⋅mol−1 ML2T−2Θ−1N−1
Capacitate termică la volum constant Cv Cv=U/T J⋅K−1 ML2T−2Θ−1
Capacitate termică masică la volum constant cv cv=2Q/mT J⋅kg−1⋅K−1 L2T−2Θ−1
Capacitate termică molară la volum constant Cnv Cnv=2Q/nT J⋅K⋅−1 mol−1 ML2T−2Θ−1N−1
Căldură latentă QL QL=Q/m J⋅kg−1 L2T−2
Coeficient de transformare adiabatică γ γ=Cp/Cv=cp/cv=Cnp/Cnv 1 1

Transmiterea căldurii

Format:Articol principal

Mărime (numele uzual) Simbolul uzual Ecuația de definire Unitate SI Dimensiune
Gradient de temperatură Fără simbol standard T K⋅m−1 ΘL−1
Flux termic Q˙ Q˙=dQ/dt W ML2T−3
Flux termic unitar Q˙ Q˙=dQ˙/dA W⋅m−2 MT−3

Ecuații

Ecuațiile din acest articol sunt clasificate pe subiect.

Procese termodinamice

Tip Ecuații
Izentropic (adiabatic și reversibil) Q=0,ΔU=L

Pentru un gaz ideal
p1V1γ=p2V2γ
T1V1γ1=T2V2γ1
p11γT1γ=p21γT2γ

Izotermic ΔU=0,L=Q

Pentru un gaz ideal
L=kTNln(V2/V1) L=nRTln(V2/V1)

Izobar p1 = p2, p = constant

L=pΔV,Q=ΔU+pδV

Izocor V1 = V2, V = constant

L=0,Q=ΔU

Destindere liberă ΔU=0
Lucru mecanic efectuat la destinderea unui gaz Proces

L=V1V2pdV

Lucru mecanic efectuat într-un ciclu
L=ciclupdV=cicluΔQ

Teoria cinetică a gazelor

Ecuații ale gazelor ideale
Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Legea gazelor ideale Format:Plainlist

Format:Endplainlist

pV=nRT=kBTN

p1V1p2V2=n1T1n2T2=N1T1N2T2

Presiunea unui gaz ideal Format:Plainlist
  • m = masa unei molecule
  • Mm = masa molară

Format:Endplainlist

p=Nmv23V=nMmv23V=13ρv2

Gazul ideal

Mărime Ecuația generală Izobară
Δp = 0
Izocoră
ΔV = 0
Izotermică
ΔT = 0
Adiabatică
Q=0
Lucru mecanic
L
δL=pdV pΔV 0 nRTlnV2V1

nRTlnp1p2

pVγ(Vf1γVi1γ)1γ=Cv(T2T1)
Capacitate termică
C
(și pentru gaze reale) Cp=52nR
(pentru gaz ideal monatomic)

Cp=72nR
(pentru gaz ideal biatomic)

Cv=32nR
(pentru gaz ideal monatomic)

Cv=52nR
(pentru gaz ideal biatomic)

Energie internă
ΔU
ΔU=CvΔT Q+L

QppΔV
Q

Cv(T2T1)
0
Q=L
L
Cv(T2T1)
Entalpie
ΔH
H=U+pV Cp(T2T1) Qv+VΔp 0 Cp(T2T1)
Entropie
Δs
ΔS=CvlnT2T1+nRlnV2V1
ΔS=CplnT2T1nRlnp2p1[1]
CplnT2T1 CvlnT2T1 nRlnV2V1Format:BrQT CplnV2V1+Cvlnp2p1=0
Constantă VT pT pV pVγ

Entropie

Fizică statistică

Mai jos sunt rezultate utile din Format:Ill-wd pentru un gaz ideal și implicațiile cantității de entropie. Distribuția este valabilă pentru atomi sau molecule care constituie gaze ideale.

Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Format:Ill-wd Format:Plainlist
  • v = viteza atomului/moleculei,
  • m = masa unei molecule (în teoria cinetică toate moleculele sunt identice),
  • γ(p) = Factorul Lorentz în funcție de impuls (v. mai jos)
  • Raportul dintre energia termică și cea de repaus a unei molecule: θ=kBT/mc2

Format:Endplainlist

K2 este funcția Bessel de ordinul al doilea modificată.

Viteze nerelativiste

P(v)=4π(m2πkBT)3/2v2emv2/2kBT

Viteze relativiste (distribuția Maxwell–Jüttner)
f(p)=14πm3c3θK2(1/θ)eγ(p)/θ

Entropia logaritmică a Format:Ill-wd Format:Plainlist
  • Pi = probabilitatea sistemului de a fi în microstarea i
  • Ω = numărul total de microstări

Format:Endplainlist

S=kBiPilnPi=kBlnΩ

unde:
Pi=1/Ω

Variația entropiei ΔS=Q1Q2dQT

ΔS=kBNlnV2V1+NCvlnT2T1

Forța entropică 𝐅S=TS
Format:Ill-wd df = gradul de libertate Energia cinetică medie pe grad de libertate

Ec=12kT

Energia internă U=dfEc=df2kT

Mai jos sunt corolare ale distribuției nerelativiste Maxwell–Boltzmann.

Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Viteza medie v=8kBTπm
Viteza pătratică medie vm=v2=3kBTm
Viteza modală vmod=2kBTm
Format:Ill-wd Format:Plainlist
  • σ = secțiunea transversală efectivă
  • n = densitatea volumică a numărului de particule țintă
  • = parcursul liber mediu

Format:Endplainlist

=1/2nσ

Procese cvasistatice și reversibile

Pentru procesele cvasistatice și reversibile, principiul întâi al termodinamicii este:

dU=δQδL

unde δQ este căldura intrată în sistem iar δL este lucrul mecanic efectuat de către (ieșit din) sistem.

Potențiale termodinamice

Format:Articol principal Următoarele energii sunt numite potențiale termodinamice,

Denumire Simbol Relație Varuabile naturale
Energie internă U (TdSpdV+iμidNi) S,V,{Ni}
Energie liberă (Helmholtz) F UTS T,V,{Ni}
Entalpie H U+pV S,p,{Ni}
Entalpie liberă (Gibbs) G U+pVTS T,p,{Ni}
Potențial macrocanonic (Landau) Ω, ΦG UTSiμiNi T,V,{μi}

iar relațiile termodinamice fundamentale corespunzătoare sunt:[2]

Potențial Derivata
Energie internă dU(S,V,Ni)=TdSpdV+iμidNi
Entalpie dH(S,p,Ni)=TdS+Vdp+iμidNi
Energie liberă (Helmholtz) dF(T,V,Ni)=SdTpdV+iμidNi
Entalpie liberă (Gibbs) dG(T,p,Ni)=SdT+Vdp+iμidNi

Relațiile Maxwell

Cele patru relații Maxwell obișnuite sunt:

Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Potențiale termodinamice ca funcții de variabilele lor naturale Format:Plainlist

Format:Endplainlist

(TV)S=(pS)V=2USV

(Tp)S=+(VS)p=2HSp +(SV)T=(pT)V=2FTV (Sp)T=(VT)p=2GTp

Alte relații:

(SU)V,N=1T (SV)N,U=pT (SN)V,U=μT
(TS)V=TCv (TS)p=TCp
(pV)T=1VKT

Alte ecuații cu derivate parțiale sunt:

Nume H U G
Format:Ill-wd H=T2((G/T)T)p U=T2((F/T)T)V G=V2((F/V)V)T
(Hp)T=VT(VT)P (UV)T=T(pT)Vp

Proprietăți cuantice

  • U=NkBT2(lnZT)V
  • S=UT+NkBlnZNklnN+Nk particule care nu se pot distinge

unde Format:Mvar este constanta Planck, Format:Mvar este momentul de inerție și Format:Mvar este Format:Ill-wd, sub diferite forme:

Grad de libertate Funcție de partiție
Translație Zt=(2πmkBT)32Vh3
Vibrație Zv=11ehω2πkBT
Rotație Zr=2IkBTσ(h2π)2

unde: Format:Plainlist

Format:Endplainlist

Proprietăți termice ale materiei

Coeficienți Ecuație
Coeficientul Joule-Thomson μJT=(Tp)H
Compresibilitate (la temperatură constantă) KT=1V(Vp)T,N
Coeficient de dilatare termică (la presiune constantă) αp=1V(VT)p
Capacitate termică (la presiune constantă) Cp=(QrevT)p=(UT)p+p(VT)p=(HT)p=T(ST)p
Capacitate termică (la volum constant) Cv=(QrevT)V=(UT)V=T(ST)V

Transmiterea căldurii

Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Intensitatea netă a emisiei/absorbției Format:Plainlist
  • Texternă = temperatura externă (în afara sistemului)
  • Tsistem = temperatura internă (în sistem)
  • ε = emisivitate

Format:Endplainlist

I=σϵ(Texterna4Tsistem4)
Energia internă a substanței Format:Plainlist
  • Cv = capacitatea termică la volum constant
  • ΔT = schimbarea de temperatură a substanței

Format:Endplainlist

ΔU=NCvΔT
Relația lui Mayer Format:Plainlist
  • Cp = capacitatea termică la presiune constantă
  • Cv = capacitatea termică la volum constant
  • n = cantitatea de substanță

Format:Endplainlist

CpCv=nR
Conductivitatea termică Format:Plainlist
  • λi = conductivitatea termică a substanței i
  • λ = conductivitatea termică echivalentă

Format:Endplainlist

În serie

λ=jλj

În paralel 1λ=j(1λj)

Randament și eficiență

Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Motoare termice Format:Plainlist
  • η = randament termic
  • L = lucrul mecanic efectuat de motor
  • Q = căldura primită de la sursa caldă
  • Q0 = căldura cedată sursei reci
  • T = temperatura sursei calde
  • T0 = temperatura sursei reci

Format:Endplainlist

Motor termic:

η=LQ

Randamentul Carnot:
ηc=1|Q0|Q=1T0T

Mașină frigorifică ε = eficiență Eficiența răcirii

ϵ=Q0|L|

Eficiența Carnot ϵC=Q0|Q|Q0=T0TT0

Note

  1. Format:En icon Keenan, Thermodynamics, Wiley, New York, 1947
  2. Format:En icon Atkins, P.W., Physical chemistry, Oxford University Press, 1978, Format:ISBN

Bibliografie

  • Format:En icon Atkins, Peter and de Paula, Julio Physical Chemistry, 7th edition, W.H. Freeman and Company, 2002 Format:ISBN.
    • Chapters 1–10, Part 1: "Equilibrium".
  • Format:En icon Format:Cite journal
  • Format:En icon Landsberg, Peter T., Thermodynamics and Statistical Mechanics, New York: Dover Publications, Inc., 1990. (reprinted from Oxford University Press, 1978).
  • Format:En icon Lewis, G.N., and Randall, M., "Thermodynamics", 2nd Edition, McGraw-Hill Book Company, New York, 1961.
  • Format:En icon Reichl, L.E., A Modern Course in Statistical Physics, 2nd edition, New York: John Wiley & Sons, 1998.
  • Format:En icon Schroeder, Daniel V. Thermal Physics. San Francisco: Addison Wesley Longman, 2000 Format:ISBN.
  • Format:En icon Silbey, Robert J., et al. Physical Chemistry, 4th ed. New Jersey: Wiley, 2004.
  • Format:En icon Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Themostatistics, 2nd edition, New York: John Wiley & Sons.

Vezi și

Legături externe

Format:Portal