Podstawowe pojęcia

Zacznijmy od podstawowych definicji i określeń.

Struktura materii

Dla ilościowego opisu struktury atomowej bądź cząsteczkowej ciał (opisu mikroskopowego) oraz do opisu takich własności ciał, które dostępne są naszym obserwacjom i pomiarom (opisu makroskopowego)  wprowadza się szereg pojęć i definicji..

Masa atomowa (cząsteczkowa) -  to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12  atomu węgla  ¹²C.  Z definicji tej wynika że wielkości te są bezwymiarowe. 

Mol - jest taką ilością danej substancji, która zawiera liczbę atomów (cząsteczek) równą liczbie atomów  w 12 gramach (0.012kg) węgla ¹²C.

Liczba Avogadro - to liczba atomów bądź cząsteczek w jednym molu substancji. Określona doświadczalnie liczba ta wynosi .

Warunki normalne - określone są przez wartość ciśnienia równą:

oraz wartość temperatury równą

Prawo Avogadro - głosi, że w warunkach jednakowego ciśnienia i temperatury jednakowe objętości różnych gazów zawierają jednakową liczbę cząsteczek.

Układ i stan układu

• Układ fizyczny - to ciało lub zbiór rozważanych przez nas ciał.

• Układ termodynamiczny - układ fizyczny, w którym obok wszelkich zjawisk (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych itd.) uwzględniamy zjawiska cieplne.

• Otoczenie - to ciało lub zbiór ciał, które nie należą do układu, ale mogą z nim na różne sposoby oddziaływać.

• Układ zamknięty - to układ który nie wymienia materii z otoczeniem. W przeciwnym przypadku układ nazywamy otwartym. 

• Układ izolowany - to układ który nie wymienia zarówno materii jak i energii z otoczeniem. 

• Stan układu - charakteryzuje własności układu i określony jest poprzez wartości parametrów stanu. Podstawowymi parametrami stanu są: ciśnienie, objętość i temperatura.

• Stan równowagowy układu - to taki stan, w którym wszystkie parametry stanu mają określone wartości i które pozostają niezmienne, jeśli nie zmieniają się warunki zewnętrzne, w jakich znajduje się układ.
• Stan nierównowagowy - ma miejsce wtedy, gdy któryś z parametrów stanu nie ma określonej wartości lub jego wartość jest inna niż w stanie równowagi i zależy od czynników zaburzających równowagę, na przykład temperatura w różnych punktach ciała jest różna.
• Stan nierównowagowy, stacjonarny - jeśli parametry w stanie nierównowagi są ustalone (nie zmieniają się w czasie).

Zerowa zasada termodynamiki

Warunkiem koniecznym i wystarczającym równowagi termicznej jest równość temperatur. Stwierdzenie to znane jest jako zerowa zasada termodynamiki. Zasadę tę formułuje się także w postaci:

Jeśli oraz , to ,

gdzie przez z odpowiednimi indeksami oznaczyliśmy temperatury ciał , i . Traktując ciało, jako ciało wzorcowe możemy uznać zerową zasadę termodynamiki za przepis na pomiar temperatury. Możemy też powiedzieć, że zerowa zasada termodynamiki określa własności równowagi termicznej układu; jest ona przekazywalna (tranzytywna) w układzie ciał będących w kontakcie termicznym.

Przemiany cieplne

• Przemiana albo proces - to przechodzenie układu z jednego stanu równowagi do drugiego, charakteryzującego się innymi wartościami parametrów stanu. Nazwa przemiany zaczyna się zwykle od przedrostka "izo", jeśli któryś z parametrów stanu pozostaje w czasie przemiany niezmieniony; na przykład przemiana izotermiczna zachodzi w stałej temperaturze.
• Relaksacja - to taki rodzaj przemiany, w którym układ przechodzi ze stanu nierównowagowego do stanu równowagi.

Przemiana oznacza zmianę stanu układu. Jeśli więc układ znajdował się w stanie równowagi, to przemiana oznacza naruszenie tego stanu. Kiedy jednak przemiana następuje powoli, w granicznym przypadku - nieskończenie powoli, to możemy uważać, że proces taki złożony jest z ciągu stanów równowagowych.

• Przemiana kwazistatyczna - to taki proces, który może być traktowany jako ciąg stanów równowagowych. Przemiana kwazistatyczna powinna zachodzić nieskończenie powoli. W wielu przypadkach  możemy jednak uważać rzeczywiste przemiany za kwazistatyczne, jeśli tylko zachodzą wystarczająco wolno.
• Przemiana odwracalna - to taki proces, który może przebiegać w odwrotną stronę i możliwe jest przywrócenie stanu początkowego układu oraz jego otoczenia (tzn. bez wywoływania zmian w otoczeniu). Oznacza to, że jeśli układ przechodzi od stanu A do stanu B przechodząc przez ciąg stanów pośrednich, to możliwe jest także przejście ze stanu B do stanu A w ten sposób, że układ przechodzi przez te same stany pośrednie, ale w odwrotnej kolejności.  Przemiany kwazistatyczne są przemianami odwracalnymi.
• Przemiana kołowa (cykl) - to proces, w którym układ po przejściu szeregu stanów pośrednich powraca do stanu początkowego.

Energia wewnętrzna

Zapiszmy wyrażenie na energię całkowitą układu w postaci:

gdzie   jest energia kinetyczną układu, a   - energią potencjalną w zewnętrznym polu sił. Te postacie energii znamy już z pierwszej części naszego kursu - dotyczącej ruchu.

Wielkość , to energia wewnętrzna układu. Na energię wewnętrzną składa się energia kinetyczna chaotycznego ruchu cząsteczek, energia potencjalna oddziaływań cząsteczkowych, a także energia spoczynkowa wynikająca z równoważności masy i energii. W naszych rozważaniach zajmować się będziemy głównie zmianami energii wewnętrznej wynikającej z zachodzących przemian, nie zaś wartością bezwzględną tej energii (np. związana z masą cząstek). Należy jednak zauważyć, że energia kinetyczna wyzwalana w procesach jądrowych wiąże się ze znaczącymi zmianami masy, które uwzględnia się w rachunkach kinematycznych.

Energia wewnętrzna jest funkcją stanu układu. Oznacza to, że parametry stanu określają całkowicie wartość energii wewnętrznej niezależnie od tego jakim przemianom układ podlegał. Kiedy układ przechodzi od jednego stanu do drugiego, to zmiana energii wewnętrznej jest różnicą energii wewnętrznych w stanach początkowym i końcowym. Różnica ta nie zależy natomiast od rodzaju przemiany i od tego przez jakie stany pośrednie układ przechodził .Wynika z tego, że jeżeli po  zakończeniu przemiany układ powraca do tego samego stanu, to energia wewnętrzna mieć będzie taką samą wartość jak w stanie początkowym.