Termodynamiikkaa

Termodynamiikkaa on fysiikan osa-alue, joka tutkii energian muuntumista ja makroskooppisten tilojen suhteita aineessa. Se tarkastelee systeemin ja ympäristön vuorovaikutuksia sekä sitä, miten lämpöenergia ja työ muuttavat tilanmuutoksia. Keskeisiä tilamuuttujia ovat paine (P), tilavuus (V), lämpötila (T) sekä sisäinen energia (U) ja entropia (S). Termodynamiikan perusilmiöt liittyvät suurelta osin siihen, miten energia siirtyy lämpönä ja/vai työnä sekä miten nämä siirrot vaikuttavat systeemin tilaan.

Termodynamiikan lait muodostavat sen perustan. Zeroth-laki määrittelee lämpötilan mittaamisen ja lämpötilan tasapuolisuuden: jos kaksi järjestelmää ovat lämpötilaltaan tasapainossa kolmannen kanssa, ne ovat keskenään tasapainossa. Ensimmäinen laki, energiainkaryoitumisen laki, sanoo että sisäinen energia U muuttuu Q–W, missä Q on lisätty lämpö ja W on systeemin tuottama work. Toisen lain mukaan entropia ei sitä kokonaisuudessaan laske adiabatisessa, eristetyssä prosessissa, ja lämpö toimii vain yhdensuuntaisesti kohti suurempaa epäjärjestystä; käytännössä tämä määrittää lämpöopin suuntautumisen ja rajaa mahdollisia lämpöprosesseja. Kolmas laki käsittelee absoluuttista nollaa ja entropian käyttäytymistä sen lähestyessä nollaa kelvin-astetta: käytännössä S(t) vähenee kohti vakiota tietyissä järjestelmissä. Lisäksi voidaan mainita nollasääntö lämpötilan määrittelyn yhteydessä.

Sovelluksissa termodynamiikkaa käytetään esimerkiksi lämpö- ja kylmäaineiden suunnittelussa, moottorien ja lämmönvaihtimien analysoinnissa, kemiallisten reaktioiden energianvälitysten arvioinnissa sekä faasimuutosten ja tilojen tasapainon kuvauksessa. Historiaan liittyy muun muassa Sadi Carnot, Rudolf Clausius ja William Thomson (Kelvin), joiden työn kautta kehitettiin nykyaikainen termodynamiikan perusrakenne.