Termodinamik, fizikte ısı ve sıcaklık ile ilgili ve enerjiyle ve işle olan ilişkisiyle ilgili bir dalıdır. Bu miktarların davranışı, söz konusu malzeme veya sistemin bileşimine veya spesifik özelliklerine bakılmaksızın dört termodinamik yasalar tarafından yönetilir. Termodinamiğin yasaları istatistiksel mekaniğin mikroskopik bileşenleri ile açıklanmaktadır. Termodinamik, bilimin ve mühendisliğin, özellikle de fizikokimyası, kimya mühendisliği ve makine mühendisliği konularında geniş bir yelpazede uygulanmaktadır.
Tarihsel olarak, termodinamik, özellikle Fransa’nın fizikçisi Nicolas Léonard Sadi Carnot’un (1824) Fransa’nın Napolyon Savaşlarını kazanmasına yardımcı olabilecek anahtar olan motor verimliliğine inandığına inanan, erken buhar motorlarının verimliliğini artırma arzusundan geçti. İskoç fizikçisi Lord Kelvin, termodinamiğin özlü bir tanımını ilk kez 1854 yılında formüle etmişti. “Termo dinamizm, cisimlerin bitişik kısımları arasında etkiyen kuvvetler arasındaki ısı ilişkisi ve ısı ile elektrik arasındaki ilişkinin konusudur. Ajans.”
Termodinamiğin mekanik ısı motorlarına ilk uygulaması başlangıçta kimyasal bileşikler ve kimyasal reaksiyonların incelenmesine kadar uzatılmıştır. Kimyasal termodinamik, kimyasal tepkimeler sürecindeki entropinin rolünü araştırır ve alanın genişlemesini ve bilgisini sağlamıştır. Termodinamiğin diğer formülasyonları önümüzdeki on yıllarda ortaya çıktı. İstatistiksel termodinamik veya istatistiksel mekanik, parçacıkların mikroskobik davranışlarından toplu hareketinin istatistiksel tahminleriyle ilgilidir. 1909’da Constantin Carathéodory, termodinamiğin aksiyomatik formülasyonunda alana tamamen matematiksel bir yaklaşım getirdi; bu tanım genellikle geometrik termodinamik olarak adlandırılır.
Tarihçesi
Termodinamiğin bilimsel bir disiplin olarak tarihi genellikle Otto von Guericke ile başlar ve 1650’de dünyanın ilk vakum pompasını kurar ve tasarlar ve Magdeburg yarı kürelerini kullanarak bir vakum gösterdi. Guericke, Aristoteles’in uzun zamandır devam eden “doğanın boşluktan kaçındığı” gerekçesini kınamak için bir boşluk bırakmaya itti. Guericke’den kısa bir süre sonra İngiliz fizikçi ve kimyager Robert Boyle, Guericke’nin tasarımlarından öğrendi ve 1656’da İngilizce bilim adamı Robert Hooke ile koordinasyon içinde bir hava pompası kurdu. Boyle ve Hooke bu pompayı kullanarak basınç, sıcaklık ve hacim arasında bir korelasyon olduğunu fark ettiler. Zamanla, Boyle Yasası formüle edildi ve basınç ve hacim ters orantılı olarak belirtildi. Sonra, 1679’da, bu kavramlara dayanarak, Boyle’in Denis Papin adlı bir ortağı, yüksek basınç gelene kadar buharını sınırlayan, sıkıca oturan bir kapaklı kapalı bir kap olarak bir buhar kazanı inşa etti.
Daha sonraki tasarımlar, makinenin patlamasını önleyen bir buhar salıverme vanası uyguladı. Valfin ritmik olarak yukarı ve aşağı hareket ettiğini izleyerek, Papin bir piston ve bir silindir motoru fikrini düşünürdü. Bununla birlikte, onun tasarımı ile takip etmedi. Yine de, Papin’in tasarımlarına dayanan mühendis Thomas Savery ilk motorunu 1697’de Thomas Becken’in ardından 1712’de kurdu. İlk motorların ham ve verimsiz olmasına rağmen zamanın önde gelen bilim adamlarının dikkatini çekti.
Etimoloji
Termodinamiğin etimolojisi karmaşık bir geçmişi vardır. İlk olarak bir sıfat (termo-dinamik) olarak tireli bir biçimde ve 1854-1868 yılları arasında genelleştirilmiş ısı motorları bilgisini temsil eden isim termodinamiği olarak yazıldı.
Amerikan biyofizikçi Donald Haynie, termodinamiğin 1840’da, Isı ve enerjiyi ifade eden δύναμις dinameti anlamına gelen Yunan kökü θέρμη therme’den türetildiğini iddia ediyor. Bununla birlikte, bu etimoloji olası görülmemektedir.
Pierre Perrot, termodinamik teriminin James Joule tarafından 1858’de ısı ile iktidar arasındaki ilişkilerin bilimini belirlemek için kullanıldığını iddia ediyor, ancak Joule bu terimi hiç kullanmamıştır, bunun yerine 1849 yılına kadar Thomson’un kusursuz termo dinamik motor terimi kullanmıştır. 1858 yılına gelindiğinde, termal dinamikler, işlevsel bir terim olarak, William Thomson’un gazetesinde Carnot’un Isı Kışkırtıcının Gücü Teorisinin Bir Hesabı’nda kullanılmıştır.
Klasik termodinamik
Klasik termodinamik, makroskopik, ölçülebilir özellikler kullanan termodinamik sistemlerin yakın dengesindeki durumlarının tanımlanmasıdır. Termodinamiğin yasalarına göre enerji, iş ve ısı değiş tokuş modellemesi yapılır. Klasik niteleyici, 19. yüzyılda gelişen konunun ilk anlayış düzeyini temsil ettiğini ve bir sistemin makroskopik ampirik (büyük ölçekli ve ölçülebilir) parametreler açısından nasıl değiştiğini ifade eder. Bu kavramların mikroskobik bir yorumu daha sonra istatistiksel mekanik geliştirilerek sağlanmıştır.
İstatistik mekaniği
İstatistiksel termodinamik olarak da adlandırılan istatistiksel mekanik, 19. yüzyılın sonu ve 20. yüzyılın başında atomik ve moleküler teorilerin gelişmesiyle ortaya çıkmış ve klasik termodinamiği, bireysel parçacıklar ya da kuantum-mekanik durumlar arasındaki mikroskopik etkileşimlerin bir yorumu ile desteklenmiştir. Bu alan, bireysel atomların ve moleküllerin mikroskopik özelliklerini, insan ölçeğinde gözlemlenebilen makroskopik, yığınsal özelliklerle ilişkilendirir; böylece, klasik termodinamiği istatistiklerin, klasik mekaniğin ve kuantum teorisinin mikroskobik seviyedeki doğal sonucu olarak açıklar.
Kimyasal termodinamik
Kimyasal termodinamik, enerjinin kimyasal reaksiyonlarla veya termodinamiğin yasalarındaki sınırlar içindeki fiziksel bir değişimle olan etkileşiminin çalışmasıdır.