Tabel cu ecuații termodinamice

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

modificare

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

modificare
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

modificare
Mărime (numele uzual) Simbolul uzual Ecuația de definire Unitate SI Dimensiune
Beta termodinamic⁠(d), inversul temperaturii β   J−1 T2M−1L−2
Temperatură termodinamică⁠(d) τ  

   

J ML2T−2
Entropie S  

  ,  

J⋅K−1 ML2T−2Θ−1
Presiune p  

 

Pa ML−1T−2
Energie internă U   J ML2T−2
Entalpie H   J ML2T−2
Funcția de partiție⁠(d) Z 1 1
Entalpie liberă (Gibbs) G   J ML2T−2
Potențial chimic (al componentei i din amestec) μi  

 ,
unde   nu este proporțional cu   deoarece   depinde de presiune.  , unde   este proporțional cu   (cât timp compoziția raportului molar a sistemului rămâne aceeași) deoarece   depinde doar de temperatură, presiune și compoziție.  

J ML2T−2
Energie liberă (Helmholtz) F, A   J ML2T−2
Potențial macrocanonic (Landau) Ω, ΦG   J ML2T−2
Potențial Massieu Φ   J⋅K−1 ML2T−2Θ−1
Potențial Planck Ξ   J⋅K−1 ML2T−2Θ−1

Proprietățile termice ale materiei

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

Transmiterea căldurii

modificare
Mărime (numele uzual) Simbolul uzual Ecuația de definire Unitate SI Dimensiune
Gradient de temperatură Fără simbol standard   K⋅m−1 ΘL−1
Flux termic     W ML2T−3
Flux termic unitar     W⋅m−2 MT−3

Ecuații

modificare

Ecuațiile din acest articol sunt clasificate pe subiect.

Procese termodinamice

modificare
Tip Ecuații
Izentropic (adiabatic și reversibil)  

Pentru un gaz ideal
 
 
 

Izotermic  

Pentru un gaz ideal
   

Izobar p1 = p2, p = constant

 

Izocor V1 = V2, V = constant

 

Destindere liberă  
Lucru mecanic efectuat la destinderea unui gaz Proces

 

Lucru mecanic efectuat într-un ciclu
 

Teoria cinetică a gazelor

modificare
Ecuații ale gazelor ideale
Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Legea gazelor ideale  

 

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

Gazul ideal

modificare
Mărime Ecuația generală Izobară
Δp = 0
Izocoră
ΔV = 0
Izotermică
ΔT = 0
Adiabatică
 
Lucru mecanic
L
       

 

 
Capacitate termică
C
(și pentru gaze reale)  
(pentru gaz ideal monatomic)

 
(pentru gaz ideal biatomic)

 
(pentru gaz ideal monatomic)

 
(pentru gaz ideal biatomic)

Energie internă
ΔU
   

 
 

 
 
 
 
 
Entalpie
ΔH
         
Entropie
Δs
 
 [1]
     
 
 
Constantă          

Entropie

modificare
  •  , unde cu Ω este notat volumul macrostării în spațiul fazelor sau altfel spus, probabilitatea termodinamică.
  •  , doar pentru procese reversibile

Fizică statistică

modificare

Mai jos sunt rezultate utile din distribuția Maxwell–Boltzmann⁠(d) pentru un gaz ideal și implicațiile cantității de entropie. Distribuția este valabilă pentru atomi sau molecule care constituie gaze ideale.

Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
distribuția Maxwell–Boltzmann⁠(d)
  • 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:  

K2 este funcția Bessel de ordinul al doilea modificată.

Viteze nerelativiste

 

Viteze relativiste (distribuția Maxwell–Jüttner)
 

Entropia logaritmică a densității stărilor⁠(d)
  • Pi = probabilitatea sistemului de a fi în microstarea i
  • Ω = numărul total de microstări
 

unde:
 

Variația entropiei  

 

Forța entropică  
Teorema echipartiției⁠(d) df = gradul de libertate Energia cinetică medie pe grad de libertate

 

Energia internă  

Mai jos sunt corolare ale distribuției nerelativiste Maxwell–Boltzmann.

Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Viteza medie  
Viteza pătratică medie  
Viteza modală  
Parcursul liber mediu⁠(d)
  • σ = secțiunea transversală efectivă
  • n = densitatea volumică a numărului de particule țintă
  •   = parcursul liber mediu
 

Procese cvasistatice și reversibile

modificare

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

 

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

Potențiale termodinamice

modificare

Următoarele energii sunt numite potențiale termodinamice,

Denumire Simbol Relație Varuabile naturale
Energie internă      
Energie liberă (Helmholtz)      
Entalpie      
Entalpie liberă (Gibbs)      
Potențial macrocanonic (Landau)  ,        

iar relațiile termodinamice fundamentale corespunzătoare sunt:[2]

Potențial Derivata
Energie internă  
Entalpie  
Energie liberă (Helmholtz)  
Entalpie liberă (Gibbs)  

Relațiile Maxwell

modificare

Cele patru relații Maxwell obișnuite sunt:

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

     

Alte relații:

     
   
 

Alte ecuații cu derivate parțiale sunt:

Nume H U G
Ecuații Gibbs–Helmholtz⁠(d)      
   

Proprietăți cuantice

modificare
  •  
  •   particule care nu se pot distinge

unde h este constanta Planck, I este momentul de inerție și Z este funcția de partiție⁠(d), sub diferite forme:

Grad de libertate Funcție de partiție
Translație  
Vibrație  
Rotație  

unde:

Proprietăți termice ale materiei

modificare
Coeficienți Ecuație
Coeficientul Joule-Thomson  
Compresibilitate (la temperatură constantă)  
Coeficient de dilatare termică (la presiune constantă)  
Capacitate termică (la presiune constantă)  
Capacitate termică (la volum constant)  

Transmiterea căldurii

modificare
Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Intensitatea netă a emisiei/absorbției
  • Texternă = temperatura externă (în afara sistemului)
  • Tsistem = temperatura internă (în sistem)
  • ε = emisivitate
 
Energia internă a substanței
  • Cv = capacitatea termică la volum constant
  • ΔT = schimbarea de temperatură a substanței
 
Relația lui Mayer
  • Cp = capacitatea termică la presiune constantă
  • Cv = capacitatea termică la volum constant
  • n = cantitatea de substanță
 
Conductivitatea termică
  • λi = conductivitatea termică a substanței i
  • λ = conductivitatea termică echivalentă
În serie

 

În paralel  

Randament și eficiență

modificare
Noțiunea fizică Simboluri Ecuații
Motoare termice
  • 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
Motor termic:

 

Randamentul Carnot:
 

Mașină frigorifică ε = eficiență Eficiența răcirii

 

Eficiența Carnot  

  1. ^ en Keenan, Thermodynamics, Wiley, New York, 1947
  2. ^ en Atkins, P.W., Physical chemistry, Oxford University Press, 1978, ISBN: 0 19 855148 7

Bibliografie

modificare
  • en Atkins, Peter and de Paula, Julio Physical Chemistry, 7th edition, W.H. Freeman and Company, 2002 ISBN: 0-7167-3539-3.
    • Chapters 1–10, Part 1: "Equilibrium".
  • en Bridgman, P. W. (). „A Complete Collection of Thermodynamic Formulas”. Physical Review. American Physical Society (APS). 3 (4): 273–281. doi:10.1103/physrev.3.273. ISSN 0031-899X. 
  • en Landsberg, Peter T., Thermodynamics and Statistical Mechanics, New York: Dover Publications, Inc., 1990. (reprinted from Oxford University Press, 1978).
  • en Lewis, G.N., and Randall, M., "Thermodynamics", 2nd Edition, McGraw-Hill Book Company, New York, 1961.
  • en Reichl, L.E., A Modern Course in Statistical Physics, 2nd edition, New York: John Wiley & Sons, 1998.
  • en Schroeder, Daniel V. Thermal Physics. San Francisco: Addison Wesley Longman, 2000 ISBN: 0-201-38027-7.
  • en Silbey, Robert J., et al. Physical Chemistry, 4th ed. New Jersey: Wiley, 2004.
  • en Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Themostatistics, 2nd edition, New York: John Wiley & Sons.

Vezi și

modificare

Legături externe

modificare