ترمودینامیک (به یونانی: θερμο «گرما» + δυναμική «توان و قدرت»)، شاخه‌ای از علوم طبیعی است که به بحث راجع به گرما و نسبت آن با انرژی و کار می‌پردازد. ترمودینامیک متغیرهای ماکروسکوپیک (همانند دما، انرژی داخلی، آنتروپی و فشار) را برای توصیف حالت مواد تعریف و چگونگی ارتباط آنها و قوانین حاکم بر آنها را بیان می‌نماید. ترمودینامیک رفتار میانگینی از تعداد زیادی از ذرات میکروسکوپیک را بیان می‌کند. قوانین حاکم بر ترمودینامیک را از طریق مکانیک آماری نیز می‌توان بدست آورد.
ترمودینامیک موضوع بخش گسترده‌ای از علم و مهندسی است - همانند: موتور، گذار فاز، واکنش‌های شیمیایی، پدیده‌های انتقال و حتی سیاه چالهها-. محاسبات ترمودینامیکی برای زمینه‌های فیزیک، شیمی، مهندسی نفت، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک،زیست‌شناسی یاخته، مهندسی پزشکی، دانش مواد و حتی اقتصاد لازم است.
عمده بحث‌های تجربی ترمودینامیک در چهار قانون بنیادی آن بیان گردیده‌اند: قانون صفرم، اول، دوم و سوم ترمودینامیک. قانون اول وجود خاصیتی از سیستم ترمودینامیکی به نام انرژی داخلی را بیان می‌کند. این انرژی از انرژی جنبشی که ناشی از حرکت کلی سیستم و نیز از انرژی پتانسیل که سیستم نسبت به محیط پیرامونش دارد، متمایز است. قانون اول همچنین دو شیوهٔ 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 محدودیت‌ها - ناشی از برگشت‌ناپذیری سیستم - بر میزان کار ترمودینامیکی قابل تحویل به یک سیستم بیرونی طی یک فرایند ترمودینامیکی را بیان می‌کند. دما، خاصیتی که با قانون صفرم ترمودینامیک تا حدودی تبیین می‌گردد، نشان دهندهٔ جهت انتقال انرژی حرارتی (گرما) بین دو سیستم در نزدیکی یکدیگر است. این خاصیت همچنین به صورت کیفی با واژه‌های داغ یا سرد بیان می‌گردد.
از دیدگاه تاریخی ترمودینامیک با آرزوی افزایش بازده موتورهای بخار گسترش یافت. به ویژه به سبب تلاش‌های فیزیکدان فرانسوی، نیکولا لئونارد سعدی کارنو که اعتقاد داشت افزایش بازده موتورهای بخار می‌تواند 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 مبحثی‌است که ارتباط حرارت با نیروهای عامل بر قطعاتِ به هم‌پیوسته‌ای که پیکر سیستم‌ها را تشکیل می‌دهند، و همچنین رابطه میان حرارت با عامل الکتریسیته را بیان می‌کند.»
در ابتدا ترمودینامیک ماشینهای بخار به صورت عمده راجع به خصوصیات گرمایی مواد مورد کاربرد- بخار آب - بود. بعدها این مبحث به فرایندهای انتقال انرژی در واکنش‌های شیمیایی مرتبط گردید.ترمودینامیک شیمیایی اثر آنتروپی بر فرایندهای شیمیایی را مورد بحث قرار می‌دهد. همچنین ترمودینامیک آماری (یا مکانیک آماری) با پیش بینی‌های آماری از رفتار ذرات سیستم، ترمودینامیک ماکروسکوپیک را توجیه می‌نماید.
شاخه‌های ترمودینامیک
علم ترمودینامیک به بررسی سیستمهای فیزیکی بر اساس تئوری‌ها و قوانین ترمودینامیک می‌پردازد. بسته به مبانی اولیه به کار رفته علم ترمودینامیک به شاخه‌های مختلف تقسیم شده است.
ترمودینامیک کلاسیک
مبنای ترمودینامیک کلاسیک برا اساس تبادل انرژی در فرایندی در درون چرخه می‌باشد، تبادل انرژی مابین سیستمهای بسته تنها با در نظر گرفتن تعادل ترمودینامیکی آنها می‌باشد. همچنین شناسایی کار و گرما به عنوان انرژی در ترمودینامیک کلاسیک ضروری می‌باشد.
ترمودینامیک آماری
ترمودینامیک آماری، یا مکانیک آماری، در نیمه دوم قرن نوزدهم و نیمه اول قرن بیستم با پیشرفت و شناسایی تئوری‌های مولکولی و اتمی بنیان نهاده شد. این علم توضیحات و ادله برای قوانین ترمودینامیک کلاسیک بیان می‌کند. ترمودینامیک آماری واکنش‌های بین مولکولی و همچنین حرکت دسته جمعی مولکول‌ها بیان می‌کند.
خواص سیستم
- خاصیت: هر یک از مشخصه‌های سیستم را خاصیت می‌گویند. مهمترین خواص عبارتن از: دما، فشار، حجم و جرم
- خواص شدتی (Intensive): مقدار آنه به اندازه یا مقدار سیسستم بستگی ندارد. مانند دما، فشار، چگالی، حجم ویژه، انرژی درونی ویژه ، آنتالپی ویژه و ...
- خواص گسترده (Extensive): مقدار آنه به اندازه یا مقدار سیسستم بستگی دارد. مانند جرم، حجم، انرژی درونی، انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی، آنتالپی، آنتروپی و ...
- اگر یک خاصیت گسترده بر جرم تقسیم شود به یک خاصیت شدتی تبدیل می‌شود. بطور مثال حجم مخصوص
- فشار: نیروی است که بر مساحت واحد سیالی اعمال می‌باشد.
- دما:معیاری برای گرما و سرما است.
- حجم: بیانگر میزان فضای اشغال شده می‌باشد.
- چگالی: نسبت جرم به حجم ← ρ=m/v
- چگالی مخصوص: به حاصل تقسیم چگالی ماده بر چگالی مبنا گفته می‌شود.
- حجم مخصوص: به معکوس چگالی گفته می‌شود. ← ν=۱/ρ
- وزن مخصوص: وزن حجم واحد یک ماده را وزن مخصوص می‌گویند. ← ɣ=ρg
- 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 می‌دهد.
- انرژی آزاد گیبس: کمیتی است که احتمال انجام خود به خودی واکنش ترمودینامیکی را نشان می‌دهد.
- انرژی آزاد هلمهولتز: مقدار کار مفید قابل دستیابی در حین پروسه دما ثابت و حجم ثابت می‌باشد.
- انرژی درونی: مقدار کل انرژی داخل سیستم را نشان می‌دهد.
- ضریب انبساط حرارتی: به میزان انبساط واحد طول در اثر افزایش دما به میزان واحد گفته می‌شود.
- ظرفیت گرمایی: به میزان افزایش دمای واحد حجم در اثر تبادل گرما به اندازه واحد گفته می‌شود.
فهرست مطالب:
پاورپوینت کامل و جامع با عنوان ترمودینامیک و مکانیک آماری در 330 اسلاید