termodinamika
iz. Beroaren, lanaren, tenperaturaren eta energiaren arteko erlazioak aztertzen dituen fisikaren alorra. Sistema fisikoak orekan edo orekatik gertu direnean izaten duten jokaera aztertzen du termodinamikak, halaber. Zientzia fisiko guztien alor nagusia da.
Termodinamikaren ideia nagusia hau da: “edozein sistema fisikok, bai kanpo ingurunearekin energia eta materialak truka ditzakeenak zein ezin trukatu dituenak, berezko egoera egonkor (oreka) jakin bateruntz joko du; egoera egonkor hori bere tasunak (hala nola presioa, tenperatura, zein osaera kimikoa) zehaztuz deskriba daiteke”. Sistemaren mugak aldatzen badira (sistema hedatzeko gai bilakatzen bada, bakartua izatetik ez bakartua izatera esaterako), tasun horiek aldatu egingo dira maizenik. Termodinamika zientziak sistemetan izaten diren aldaketa horiek matematikaren bidez azaltzen eta sistema orekan izateko behar diren baldintzak aurrez aldetik ematen saitzen da.
Jakintza alor horren garapena, beroaren kontzeptuaren azterketarekin hasi zen, beroa lan erabilgarri bihurtzen duten tresnen (lurrun makina batik bat) eraginkortasunaz egin ziren ikerkuntzen bidez. Halako tresnetan beti izaten da energia erabilgarriaren barraiatzea, ezin baita beroa lan bihurtu % 100eko eraginkortasunez. Eraldaketa hori ulertzeko konzeptu nagusia ez da beroa, ordea, entropia baizik. (ik. entropia).
Historia aldetik, ikerkuntza horien garapena Industria Iraultzarekin hasi zen, XVII. mendearen bukaera aldera, alegia. XIX. mendean asmakizun handiak egin ziren, sarritan jakintza alor horren ikerkuntza teorikoa asmatzaileen asmakizun intuitiboen atzetik gertatzen zen; teknologiak bultzatu zuen oinarrizko ikerkuntza teorikoa kasu hartan. Termodinamikaren garapen teorikoek, alabaina, eragin sakona izan zuten gerora asmatu ziren makina askotan: lurrun makinak, hotzgailuak, errekuntza motorrak, bero bonbak, zein gasak isurkari bihurtzeko makinak.
Termodinamikaren lehen legeak edo energiaren kontserbazioaren legeak dio ezen energia itxuraz aldatu arren energia kopuru edo zenbateko osoa ez dela aldatzen. Lege horrek korolario edo inplikazio ugari dituenez era askotara azaltzen da. Termodinamikaren oinarrizko ideia baten arabera, unibertsoan edonon den sistema bakartu batek, badu neur daitekeen energia kopuru jakin bat, sistemaren barne-energia (U) deritzona. Barne-energia horren balioa sistemak bakartua izateari uzten badio aldatuko da soilik. Baldintza horietan barne-energia sistematik edo sistemara egindako masa trukeaz, sistematik edo sistemara egindako bero (Q) trukeaz, edo lanaren (W) bidez alda daiteke. Masarik aldatzen ez den sistema ez bakartu batean, beraz, barne-energiaren aldaketa honela formulatzen da: Berdintasun hori ematen da sarritan termodinamikaren lehen printzipioaren adierazpen gisa. Termodinamikak energiaren erabilgarritasuna du aztergai nagusia. Hala, gordin esanda, ordena duen energia erabilgarria da, eta ordenarik ez duena, berriz, nekez erabil daiteke lana sortzeko edo lan bihurtzeko. Beraz, bateria batean gordetako energia erabilgarria da, baina sute baten bidez atmosferara zabaltzen den energia ezin erabil daiteke, galdu egiten da. Entropiak energiaren desordena mailaren neurria ematen du. Energia desordenatuak entropia haundia du. Sistema baten entropiak baliorik handiena duenean, sistema guztiz izaten da desordenatua, eta ez da eskala handiko berezko aldaketa gehiagorik. Egoera horri oreka egoera deritzo. Termodinamikaren bigarren legeak dio ezen sistema itxi batean entropia mailak ez duela behera egiten. Hau da, sistemak hasieran entropia txikia badu (ordena), egoera hori dela eta sistemak entropia mailarik handiena izango duen berezko egoera (desordena) jakin bateruntz joko du. Termodinamikaren bigarren legeak prozesuaren norantza aztertzen du, prozesu jakin bat berez gertatuko den ala ez. Tenperatura desberdina duten metalezko bi bloke elkar ukitzen jartzen badira, esaterako, bi gorputz horien artean den bero banaketa ez uniformea (energiaren ordena partzialaren adierazle dena) tenperatura uniformezko egoerarantz aldatuko da berehala, energia, bloke beroenetik hotzenera igortzen den eran. Sistema egoera horretara iristen denean sistema orekan dago. Orekara hurbiltze prozesua itzulezina da. Orekarako hurbiltzea edo hartarako joera oinarrizko kontzeptua da fisikarako, eta bigarren lege hori da seguruenik jarduera naturalaren arautzaile unibertsalena. Bigarren lege horren beste adierazpen baten arabera, beroa ezin daiteke gorputz batetik beste batera tenperatura beroagoan igorri bestelako efekturen bat sortu gabe. Bigarren legearen bi adierazpen horietan termodinamikaren tenperatura (T) eta entropia (S) kontzeptuak azaltzen dira; bi kontzeptu horiek, prozesu itzulezin batek har dezakeen norantza finkatzen dute. Gorputz edo sistema baten tenperaturak beroa sistema edo gorputzera sartzen den, edo gorputzetik edo sistematik ateratzen den adierazten du. Entropiak berriz, energiak lana egiteko duen ezintasunaren neurria ematen du. Lehenengo legearen formulazioari lotuz honela formulatu ohi da bigarren legea: Bigarren legeak, entropiaren aldaketa (∆S) du aztergai. Entropia kontzeptuaren nahiz bigarren legearen esanahia materiaren osagai mikroskopikoen azterketaz azal daiteke. Gas jakin batek dituen tenperatura eta presioa, gasaren molekulen mugimenduaren araberakoa da. Ordenatik desordenarako entropia bilakaera, beraz, organizazioak eta egiturak desegiteko den haustura kaotikoetarako joera orokorraren adibide gisa ikus daiteke. Zorizko higidura duen edozein sistema mpozbait bere egoerarik desordenatuennera iritsiko da Termodinamikaren hirugarren legeak entropiarentzako eskala absolutua finkatzen du, zero absolutuan edozein sistemaren entropia aldaketa zero dela esaten baitu. Definizioz zero absolutua (gutxi gorabehera -273° C) sistema batek bere energia egoerarik apalena lortzen duenean gertatzen da. Bada termodinamikan erabiltzen den beste lege bat. Lege hori termodinamikaren beste legeentzaat oinarrizkoa da, eta termodinamikaren zero legea izena deitu ohi da. Lege horren arabera bi sistema edo gorputz, bakoitza bere aldetik, beste hirugarren sistema edo gorputz batekin oreka termikoan baldin badaude, beren artean ere oreka termikoan daude.
