Introductie thermodynamica

Wat is thermodynamica?

De thermodynamica houdt zich bezig met allerlei soorten energieomzettingen en is ontstaan in de tijd dat men zich bezighield met de omzetting van warmte in kracht. Het woord thermodynamica is dan ook afkomstig van de Griekse woorden ‘therme’ (warmte) en ‘dynamis’ (kracht). Thermodynamica wordt gebruikt bij de analyse en het ontwerp van apparaten. Voor meer informatie over thermodynamica wordt verwezen naar de basisboeken thermodynamica, bijvoorbeeld die geschreven door Çengel & Bowles, Smith & Van Ness en Moran & Shapiro. De eerste twee boeken zijn gebruikt als naslagwerk bij het schrijven van dit webdictaat.

Hoofdwetten

De thermodynamica kent een aantal hoofdwetten. Deze hoofdwetten zijn gebaseerd op ervaring en worden gebruikt bij thermodynamische berekeningen. De wet van behoud van energie wordt ook wel de eerste hoofdwet genoemd, maar feitelijk is de eerste hoofdwet gebaseerd op de wet van behoud van energie. Volgens de wet van behoud van energie geldt: energie kan niet uit het niets ontstaan en ook niet verloren gaan. Bij het toepassen van deze (hoofd)wet wordt onderscheid gemaakt tussen het beschouwde systeem en zijn omgeving. Voor systeem en omgeving samen geldt:

$$ \Δ(\energie \van \het \systeem) + \Δ(\energie \van \de \omgeving) = 0 $$
De eerste hoofdwet kan worden toegepast op gesloten en open systemen.

De tweede hoofdwet heeft te maken met de richting van energieomzettingen. Zo zal warmte van warme naar koude voorwerpen stromen en niet andersom. Een andere formulering van de tweede hoofdwet is dat het onmogelijk is om met een cyclisch proces de warmte die door een systeem geabsorbeerd wordt volledig in arbeid om te zetten. De tweede hoofdwet stelt verder dat een proces alleen in een zodanige richting kan verlopen dat de totale entropieverandering veroorzaakt door dat proces groter is dan of gelijk is aan nul. Entropie is een voorbeeld van een toestandsgrootheid en kan beschouwd worden als ‘wanorde’. Met totale entropieverandering wordt de entropieverandering van systeem en omgeving samen bedoeld, in formulevorm:

$$ \ΔS_\totaal = \ΔS_\systeem + \ΔS_\omgeving ≥ 0 $$
In werkelijkheid is de entropieverandering altijd groter dan nul. Alleen bij denkbeeldige processen die omkeerbaar verlopen is de entropieverandering gelijk aan nul. Deze denkbeeldige processen worden reversibele processen genoemd.

De nulde hoofdwet is fundamenteler dan de eerste en tweede hoofdwetten, maar werd later geformuleerd en is daarom de nulde hoofdwet genoemd. Deze nulde hoofdwet stelt dat wanneer twee systemen in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem (= dezelfde temperatuur hebben), zij ook in thermisch evenwicht met elkaar zijn.

De derde hoofdwet heeft te maken met het absolute nulpunt van de temperatuur, -273,15 °C. Bij dat absolute nulpunt zijn moleculen bewegingloos en is er geen onduidelijkheid meer over waar moleculen zich bevinden, m.a.w. er is geen wanorde meer. De formulering van de derde hoofdwet van de thermodynamica is dan ook: de entropie van een zuivere kristallijne stof bij het absolute nulpunt is nul.

Bronnen

Çengel & Bowles, Çengel, Y.A. and M.A. Bowles (n.d.). Thermodynamics: an Engineering Approach, McGraw-Hill
Moran & Shapiro, Moran, M.J. and H.N. Shapiro (n.d.). Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Wiley and Sons, Inc.
Smith & Van Ness, Smith, Van Ness et al. (n.d.). Introduction to Chemical Engineering thermodynamics, McGraw-Hill