Termodynamický pták – tepelný stroj
Určitě jste už někde viděli to malé skleněné "perpetuum mobile". Nemá žádný pohon, a přece pořád zobe! Jak je to možné? Tělíčko ptáka je naplněné obarveným etherem, zobáček je omotán savým papírem nebo látkou. Je-li zobák suchý, má celý ptáček stejnou teplotu a tlak nasycených par v hlavě je stejný jako v zadečku. Situace se změní, je-li zobák mokrý. Odpařování vody, zrychlené kývavými pohyby ptáka, způsobuje ochlazení hlavy a snížení tlaku nasycených par v hlavě – mezi hlavou a zadečkem se vytvoří tlakový gradient, vedoucí k nasávání kapaliny. Se zvyšováním hladiny v "krku" ptáka se mění jeho těžiště, takže se ptákova hlava sklání, až se (ve vodorovné poloze) zobák namočí do vody v nádobce. Zároveň dojde k obnažení dolního konce trubice v zadečku a propojení hlavy a zadečku, tlaky se vyrovnají, hladiny také a pták se opět vztyčí. Pták přestává pracovat ve dvou případech: při 100%ní vlhkosti vzduchu (nedochází k odpařování) a při nízké hladině vody v nádobce (suchý zobák). Pokud se voda v nádobce nahradí ethanolem nebo jinou těkavější kapalinou, pohybuje se termodynamický pták rychleji.
Fázové rovnováhy
- Tlak nasycené páry, závislost na teplotě
Nejprve si osvěžme pojem fáze. Zhruba jej můžeme nahradit běžnějším pojmem skupenský stav. Není to však totéž - pojem fáze je obecnější. Například voda a olej jsou dvě fáze, ale jen jeden skupenský stav, kapalný. Nebo grafit a diamant jsou dvě fáze, ale jen jeden skupenský stav, pevný.
Nyní pojem fázová rovnováha. Vhodíme-li několik kostek ledu do kapalného nápoje za běžné teploty, máme systém o dvou fázích, v tomto případě i o dvou skupenských stavech. Systém není ve fázové rovnováze: nápoj chladne, led se rozpouští. Po dostatečné době dojde k termodynamické rovnováze (v tomto případě dojde k vyrovnání teplot). V ní mohou nastat tyto případy:
Led rozpuštěn, nápoj ochlazen, žádná fázová rovnováha
Část ledu rozpuštěna, zbytek plave v nápoji, led i nápoj mají stejnou teplotu, fázová rovnováha kapalina-pevná fáze
Studium fázových rovnováh je součástí chemické thermodynamiky. Cílem tohoto studia je umět vypočítat, které fáze budou v systému stabilní za dané teploty, tlaku a složení, a jaké budou podmínky stability při změně těchto parametrů. Znalost fázových rovnováh je nezbytná při čištění a separaci látek, při konstrukci ropovodů a plynovodů nebo k porozumění procesům, jimiž vznikaly zemské horniny.
Stavové chování
- Změna skupenství
Teplota, tlak, objem, látkové množství a u směsí jejich složení nejsou nezávislé. Například u 1 molu čisté látky nám příroda nedovoluje zvolit současně její teplotu, tlak a objem. Dovolí nám volit jen dvě z nich (tlak a teplotu, tlak a objem, objem a teplotu). Ta třetí je dána stavovou rovnicí.
Nejjednodušší stavovou rovnicí pro plyn je stavová rovnice ideálního plynu. Tato rovnice může být odvozena statistickou mechanikou, jestliže předpokládáme, že se plyn skládá z velkého množství bodových částeček (molekul), mezi nimiž nepůsobí ani přitažlivé, ani odpudivé síly. Ve skutečnosti spolu plynné molekuly interagují (působí na sebe přitažlivými a odpudivými silami), jejichž výsledkem je např. kondenzace (vznik kapaliny). Ideální stavová rovnice kondenzaci předpovědet nedokáže. Proto bylo navrženo velké množství přesnějších stavových rovnic. V současné době však neexistuje jedna stavová rovnice, která by předpovídala vlastnosti všech látek za všech podmínek.
Termochemie
- Tepelný stroj
Termodynamika studuje energetické změny systému a jejich dopad na systém. Definuje termodynamické potenciály, s jejichž pomocí lze určit podmínky, za nichž je systém v rovnováze nebo určit, zda děj bude probíhat spontánně (samovolně).
Součástí termodynamiky je termochemie, věda zabývající se tepelným zabarvením chemických reakcí. Reakce, při kterých je teplo uvolňováno, se nazývají reakce exotermické (např. hoření), jejich opakem jsou reakce endotermické, při nichž se teplo spotřebovává.