یک کمیت اسکالر به نام دما وجود دارد که خاصیتی است متعلق به تمام سیستمهای ترمودینامیکی (در حال تعادل)، بطوری که برابری آن شرط لازم و کافی برای تعادل گرمایی است.
قانون اول ترمودینامیک
اگر سیستمی فقط به طریقه بیدررو از یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برده شود، کار انجام شده برای تمام مسیرهای بیدررو که این دو حالت را به یکدیگر مربوط کنند، یکسان است.
قانون دوم ترمودینامیک
هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل گرما به کار باشد، امکان پذیر نیست. به بیان دیگر میتوان گفت که امکان ندارد که تنها اثر یک ماشین چرخهای آن باشد که بطور مداوم آزمایشهای مربوط به گرما را از جسمی به جسم دیگر با دمای بالا منتقل کند.
قانون سوم ترمودینامیک
این قانون بیان میکند که ممکن نیست از طریق یک سلسله فرآیند متناهی به صفر مطلق دست یافت. به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است. البته به نزدیکیهای صفر مطلق میشود رسید، اما خود صفر مطلق قابل دسترس نمیباشد.
ارتباط کمیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک
کمیتهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک هر سیستمی باید باهم ارتباط داشته باشند. زیرا آنها از دو راه مختلف ، وضعیت یکسانی را توصیف میکنند. بویژه ، باید بدانیم که کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک بیان کینم.
بعنوان مثال فشار یک گاز، عملا با استفاده از فشارسنج اندازه گیری میشود، اما از دیدگاه میکروسکوپیک ، فشار مربوط است به آهنگ متوسط انتقال اندازه حرکت ملکولهای گاز که به واحد سطح فشارسنج برخورد میکنند. اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، قادر خواهیم بود قوانین ترمودینامیک را بطور کمی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم.
ارتباط ترمودینامیک با مکانیک آماری
توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعیتر مکانیک آماری، یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک است. علاوه بر این، بنیادیتر بودن نکات مکانیک آماری، به ما امکان میدهد که اصول عادی ترمودینامیک را تا حد قابل توجهی تکمیل کنیم.
چشم انداز ترمودینامیک
توصیف مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه گیری آن ، که کم و بیش توسط حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیک است. این توصیفها نقطه شروع تمام بررسیها در تمام شاخههای فیزیک هستند. اما در ترمودینامیک توجه ما به داخل سیستم معطوف میشود، بنابراین دیدگاه ماکروسکوپی را اختیار میکنیم و بر آن دسته از کمیات ماکروسکوپی تأکید میکنیم که رابطهای با حالت داخلی سیستم داشته باشند.
تعیین کمیتهایی که برای توصیف این حالت داخلی لازم و کافی هستند، به عهده آزمایش است. آن کمیتهای ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط هستند، مختصات ترمودینامیک خوانده میشوند. این مختصات ، برای تعیین انرژی داخلی سیستم بکار میآیند. هدف ترمودینامیک ، پیدا کردن روابط کلی این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند. سیستمی را که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم ترمودینامیکی میگویند.
ترمودینامیک و عالم
سی.پی. اسنو زمانی گفت که ندانستن قانون دوم ترمودینامیک مانند این است که از شکسپیر هرگز چیزی نخوانده باشیم. اما در حالی که بسیاری از مردم قانون اول را که می گوید«انرژی نه ایجاد می شود و نه از بین می رود»، به خوبی درک می کنند، اندک اند کسانی که با قانون دوم که می گوید« آنتروپی فقط افزایش می یابد» ، آشنایی دارند. به هر حال، آنتروپی چیست و چرا باید افزایش یابد؟ ما چه بخواهیم چگونگی کارکرد دستگاهی به سادگی یخچال را بفهمیم و چه بخواهیم به سرنوشت عالم پی ببریم، نخست باید مفاهیم انرژی و آنتروپی را درک کنیم.
در کتاب ترمودینامیک و عالم، مارتین و اینگه گلدشتاین قوانین ترمودینامیک را برای علاقه مندان و نوآموزان علم بیان می کنند. آنها نخست تاریخچِه ترمودینامیک را به سرعت بیان می کنند سپس نشان می دهند که این قوانین چگونه از نظریه اتمی ماده پیروی می کنند و از کابردشان در پدیده های گوناگونی مانند تابش نور از اجسام داغ، تشکیل الماس از گرافیت، حمل اکسیژن به وسیله خون، و تاریخچه زمین نمونه هایی می آورند. نویسندگان نتیجه می گیرند که قوانین انرژی حتی اگر همه چیز را درباره هر چیزی نگویند، در همه جا حضور دارند.
سیر تاریخی علم
ترمودینامیک بصورت زیر میباشد (کلیه تاریخها میلادی میباشند):
۱۷۹۸- کنت رامفورد (بنجامین تامسون) مطالعه تبدیل کار به گرما را طی آزمایش مشهور مته و تخته آغاز نمود.
۱۷۹۹- سرهامفری دیوی تبدیل کار به حرارت را با آزمایش سابیدن یخ مطالعه نمود.
۱۸۲۴- سادی کارنوت تئوری مشهور خود «بازتابی بر نیروی محرک آتش» منتشر نمود که در برگیرنده اصل جدیدی در باره تعریف چرخه و اصلی که توضیف کننده آن بود که چرخه بازگشت پذیر بین دو منبع حرارتی تنها به دمای منابع بستگی دارد و نه به موادکاری
۱۸۴۲- مایر اصل بقا انرژی را ارائه نمود.
۱۸۴۷- هلمهولتز اصل بقا انرژی را بصورت مستقل از مایر فروموله نمود.
۱۸۴۳-۱۸۴۸- جیمز پریسکات ژول با ترتیب دادن آزمایشاتی چهارچوب تجربی قانون اول ترمودینامیک را بنیان نهاد. امروزه به پاس این دانشمند بزرگ حرف J برای نمایش معادل مکانیکی کار استفاده میشود.
۱۸۴۸- لرد کلوین (ویلیام تامسون) واحد درجه حرارت مطلق را بر مبنای چرخه کارنو تعریف نمود.
۱۸۵۰- رادولف جی کلاوسیوس احتمالا به عنوان اولین کسی که به وجود دو قانون اساسی ترمودینامیک: قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک ظی برد.
۱۸۶۵- کلاوسیوس قوانین اول و دوم ترمودینامیک را در دو خط بیان نمود:
انرژی جهان دارای مقدار ثابتی است.
آنتروپی جهان تمایل به بیشینه شدن دارد.
۱۸۷۵- جوزیا ویلیارد گیبس گزارش سرنوشت ساز خود «در برابری مواد ناهمگون» را که ترمودینامیک را به سیستمهای ناهمگون و واکنشهای شیمیایی بسط داد منتشر نمود. این گزارش اصل مهم پتانسیل شیمیایی را توصیف مینمود.
۱۸۹۷- ماکس پلانک قانون دوم ترمودینامیک را به صورت: «غیرممکن است بتوان موتوری ساخت که در یک چرخه کامل کار نموده و اثر دیگری غیر از بالا بردن وزنه و خنک نمودن یک منبع حرارتی داشته باشد.» بیان نمود.
0- کاراتئودوری ساختار جدیدی از ترمودینامیک را بر مبنای جدیدی که کاملا فرم ریاضی داشت منتشر نمود.