Visa källa för Termodynamik

[[Fil:PVT-1.png|mini|upright|En [[fluid]] (blå) expanderar under upphettning och konstant tryck. Arbetet ''W&nbsp;=&nbsp;F&nbsp;⋅&nbsp;Δs'' uträttas]]
[[Fil:Maquina vapor Watt ETSIIM.jpg|miniatyr|En sen variant av [[James Watt]]s [[ångmaskin|ångmotor]]. Maskiner av denna typ drev den [[industriella revolutionen]] i Storbritannien och är ett exempel på tillämpad termodynamik.]]
'''Termodynamik''' är läran om [[energi]], dess omvandling mellan olika former och särskilt samspelet mellan [[värme]] och [[mekaniskt arbete|arbete]]. Den klassiska termodynamiken studerar kopplingen mellan makroskopiska egenskaper som [[temperatur]], [[volym]] och [[tryck]] hos [[termodynamiskt system|system]] samt hur dessa påverkas och förändras genom [[termodynamisk process|termodynamiska processer]]. Termodynamikens grundprinciper har under åren kommit att formuleras i [[termodynamikens huvudsatser|fyra huvudsatser]], vilka beskriver olika aspekter av energins natur och hur olika former av energi kan interagera.
Historiskt har termodynamikens utveckling drivits av önskan att öka verkningsgraden hos tidiga [[ångmaskin]]er, framför allt genom det arbete som bedrevs av den franske fysikern [[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Sadi Carnot]], ofta kallad termodynamikens fader. Termodynamikens fortsatta utveckling och formuleringen av första och andra huvudsatsen skedde under 1800-talet, med [[Lord Kelvin]], [[Rudolf Clausius]] och [[William Rankine]] som några framträdande bidragsgivare. Begreppet ''termodynamik'' formulerades först 1849 i ett verk av Lord Kelvin.

Termodynamiken är en bred vetenskap som ofta delas upp i olika grenar. Huvudsatserna och många av de centrala begreppen är de samma inom de olika disciplinerna, men angreppssätten och användningsområdena skiljer sig. Den klassiska termodynamiken är en [[makroskopisk]] disciplin, till stor del baserad på mätningar och erfarenheter. I motsats bygger den [[statistisk mekanik|statistiska termodynamiken]], med grund i [[kvantmekanik]]en, på den [[mikroskopisk]]a naturen hos enskilda [[atom]]er och [[molekyl]]er. Utöver dessa finns ett stort antal grenar och tillämpningsområden som exempelvis [[kemisk termodynamik]], [[energiteknik]], [[meteorologi]], [[materialvetenskap]] och [[Medicinsk vetenskap|biomedicin]].

== Historia ==
[[Fil:Sadi Carnot.jpeg|miniatyr|höger|[[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Sadi Carnot]] (1796-1832), "termodynamikens fader", var en fransk fysiker vars enda kända verk ''Réflexions sur la puissance motrice du feu'' anses vara grunden för den moderna termodynamiken.]]
{{huvudartikel|Termodynamikens historia}}
Termodynamikens historia som en vetenskap kan sägas börja i och med [[Otto von Guericke]], som 1650 utformade och byggde världens första [[vakuumpump]]. Guericke drevs att skapa vakuum för att kunna motbevisa [[Aristoteles]] långlivade tes att 'naturen avskyr vakuum'. Utifrån Guerickes vakuumpump kom 1656 den engelske fysikern [[Robert Boyle]], i samråd med [[Robert Hooke]], att bygga en luftpump.<ref>Partington 1989</ref> Med hjälp av pumpen upptäckte Boyle och Hooke ett samband mellan [[tryck]], [[temperatur]] och [[volym]]. Senare formulerades [[Boyles lag]], som postulerar att trycket och volymen hos en [[gas]] är [[Proportionalitet (matematik)|omvänt proportionella]] storheter. Utifrån detta kom [[Denis Papin]], en kollega till Boyle, att 1679 bygga en [[tryckkokare]] som kunde användas för att innesluta högt trycksatt ånga.

Senare varianter av tryckkokaren kom även att innefatta en ventil som förhindrade explosioner på grund av för höga tryck. Iakttagelser av ventilens rytmiska rörelse upp och ned gav Papin idén om en kolv- och cylindermotor. Han konstruerade dock aldrig en sådan maskin i praktiken. År 1697 byggde den engelske ingenjören [[Thomas Savery]] utifrån Papins beskrivningar världens första [[motor]], vilken följdes av [[Thomas Newcomen]]s motor 1712. Även om dessa tidiga motorer var klumpiga och ineffektiva drog de till sig stor uppmärksamhet från dåtidens ledande vetenskapsmän. 

Två grundläggande koncept för termodynamikens utveckling kom att bli [[värmekapacitet]] och [[latent värme]], båda utvecklade av den skotske läkaren och kemisten [[Joseph Black]] vid [[University of Glasgow]], där även [[James Watt]] var anställd. Black och Watt genomförde ett flertal experiment tillsammans. Watts idé om en extern [[kondensor]] ledde till drastiskt ökad verkningsgrad hos Newcomens [[ångmotor]]. Med grund i detta och tidigare upptäcker gav [[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Sadi Carnot]], termodynamikens fader, 1824 ut sitt verk ''Réflexions sur la puissance motrice du feu'' ("Reflektioner om eldens rörelsekraft"), en avhandling om värme, kraft och verkningsgraden hos värmemotorer. Detta brukar ses som grunden för termodynamiken som en modern vetenskap.<ref name="Perrot">Perrot 1989</ref>

Termodynamikens första och andra huvudsats uppkom i princip samtidigt under 1850-talet, framför allt genom verk av [[William John Macquorn Rankine|William Rankine]], [[Rudolf Clausius]] och [[Lord Kelvin|William Thomson]] (Lord Kelvin). Den första läroboken i termodynamik skrevs 1859 av Rankine, som bland annat var verksam som lärare i maskinteknik vid University of Glasgow. <ref name="historia">Çengel 2008, sid. 2-4</ref>

Den [[statistisk mekanik|statistiska termodynamikens]] grunder kom att utformas av fysiker som [[James Clerk Maxwell]], [[Ludwig Boltzmann]], [[Max Planck]], [[Rudolf Clausius]] och [[Josiah Willard Gibbs|J. Willard Gibbs]].

Under åren 1873–1876 gav den amerikanske matematiska fysikern Gibbs ut en serie om tre artiklar där han visade hur termodynamiska processer kan studeras grafiskt utifrån systemens energi, entropi, volym, temperatur och tryck, samt hur man utifrån dessa kan avgöra om en process kan ske spontant med tillståndsfunktionen [[Gibbs fria energi]].<ref>Gibbs 1993</ref> Under tidigt 1900-tal kom kemister som [[Gilbert N. Lewis]], [[Merle Randall]] och [[E. A. Guggenheim]] att börja tillämpa Gibbs matematiska metoder vid analysen av [[Kemisk process|kemiska processer]].<ref>Lewis et al. 1923</ref>

== Termodynamikens huvudsatser ==
{{huvudartikel|Termodynamikens huvudsatser}}
Termodynamiken bygger på fyra grundläggande huvudsatser som behandlar [[energi]]ns egenskaper och beteende i system och processer. Termodynamikens första och andra huvudsats uppkom i stort sett samtidigt under mitten av 1800-talet och först i början av 1900-talet tillkom tredje och slutligen nollte huvudsatsen (1931). Huvudsatserna är inte matematiskt härledda utan [[postulat|postulerade]] som [[naturlag]]ar utifrån erfarenheter och experiment om energins natur.<ref name="huvudsatserna">Çengel 2008, sid. 312-314</ref><ref name="historia" /><ref name="noll" />

=== Nollte huvudsatsen ===
{{huvudartikel|Termodynamikens nollte huvudsats}}
Nollte huvudsatsen är den mest grundläggande av termodynamikens postulat och formuleras vanligen:<ref name="noll">Çengel 2008, sid. 30-33</ref><ref>Laird 2009, sid. 284-286</ref>

{{citat|Om två kroppar är i [[termisk jämvikt]] med en tredje kropp, då är de även i termisk jämvikt med varandra.}}

Att två kroppar är i [[termisk jämvikt]] innebär att ingen [[värme]] spontant kan överföras när kropparna är i kontakt med varandra, det vill säga ''kropparna har samma temperatur''. Detta kan tyckas självklart, och förståelsen av huvudsatsens innebörd hade funnits långt innan den formulerades av den brittiske fysikern [[Ralph H. Fowler]] 1931. Man kan säga att det i grund och botten är den nollte huvudsatsen som tillåter objektiv [[temperatur]]mätning och därmed rättfärdigar nästan allt som termodynamiken behandlar. Trots att nollte huvudsatsen tillämpats långt före 1900-talet går den inte att härleda ur någon av termodynamikens övriga huvudsatser, vilket föranledde dess formulering och något annorlunda numrering.<ref name="noll" />

=== Första huvudsatsen ===
[[Fil:WaterScrewPerpetualMotion.png|miniatyr|höger|En skiss på en evighetsmaskin från 1600-talet. Att alla former av en evighetsmaskin är en omöjlighet är en direkt konsekvens av termodynamikens första och andra huvudsats.]]
{{huvudartikel|Termodynamikens första huvudsats}}
Energin i ett isolerat system är konstant. Termodynamikens första huvudsats är ett uttryck för [[energiprincipen|lagen om energins bevarande]], det vill säga principen att energi varken kan skapas eller förstöras. Första huvudsatsen är grunden för all form av energianalys och uttrycks ofta matematiskt på [[differential]]formen:

:<math>dU = \delta Q - \delta W\,</math>
Där ''dU'' är förändringen i systemets [[inre energi]], ''δQ'' är det värme som systemet utväxlar med omgivningen och ''δW'' är det arbete som tillförts eller uträttats av system.{{Anmärkning|Gällande teckenkonvention för första huvudsatsen på den form som beskrivs i artikeln betraktar 'tillfört värme' och 'uträttat arbete' som positiva storheter. (Enligt en annan teckenkonvention som också är vanlig inom termodynamiken räknas istället 'tillfört' arbete som positivt, varvid första huvudsatsen på differentialform får utseendet: {{nowrap|1=''dU'' = ''δQ'' + ''δW''}}.)}}

Formeln uttrycker att den totala mängd arbete som tillförts eller uträttats av ett system är lika stor som den mängd värme som tillförts eller lämnat systemet, när systemet genomgår en termodynamisk cykel, det vill säga en följd av processer som för systemet tillbaka till grundtillståndet. Termodynamikens första huvudsats gäller för alla processer, reversibla som irreversibla, och motbevisar bland annat existensen av [[evighetsmaskin]]er (perpetuum mobile) av första ordningen. Enligt första huvudsatsen är det alltså omöjligt att skapa en maskin som utan tillförsel av energi kan drivas i all oändlighet.<ref name="huvudsatserna" /><ref name="noll" /><ref>Rajput 2005, sid. 82-85</ref>

=== Andra huvudsatsen ===
{{huvudartikel|Termodynamikens andra huvudsats}}
Termodynamikens andra huvudsats postulerar att i ett isolerat system sker alla spontana processer enbart i en riktning. Två vanliga formuleringar av andra huvudsatsen är:<ref>Alvarez 2006, del 1, sid. 281</ref><ref name="COP">Çengel 2008, sid. 261-269 </ref>

{{citat|Värme kan inte av sig själv gå över från en kropp vid lägre temperatur till en annan med högre temperatur.|[[Rudolf Clausius|Clausius]] formulering}}
{{citat|Det finns ingen process vars enda resultat är att värme från en enda värmekälla helt omvandlas till mekaniskt arbete.|[[Lord Kelvin|Kelvin]]-[[Max Planck|Plancks]] formulering}}

Att spontana processer enbart sker i en riktning är ett välkänt faktum; exempelvis svalnar en kopp varmt kaffe i rumstemperatur, men samma kopp kaffe blir aldrig varm igen bara av att stå i rumstemperatur. Detta går inte att bevisa teoretiskt. Liksom i fråga om energiprincipen är det praktisk erfarenhet som har föranlett andra huvudsatsen. 

För att kunna beskriva detta fenomen mer ingående infördes begreppet ''[[entropi]]'' ''S'', vilket ibland beskrivs som ett mått på "oordningen" i ett system. Alla naturliga processer sker på ett sådant sätt att den totala entropin, oordningen, ökar i ett isolerat system. Detta behöver dock inte innebära att entropin ökar i varje delsystem, tvärtom är det vanligt med processer där entropin minskar i någon del av systemet, vilket kompenseras av en större ökning av entropin i en annan del.

Vad som obönhörligen måste minska om entropin - oordningen - ökar är alltså "ordningen" eller [[exergi]]n, som anger en skillnad eller kontrast. Entropiökning är alltså synonymt med exergiförbrukning eller utjämnande av kontraster. En kopp varmt kaffe har en temperaturkontrast till den svalare luften runtomkring och denna kontrast kan aldrig spontant öka, bara minska. 

[[Ludwig Boltzmann]] visade 1877 att entropi är matematiskt proportionell mot [[logaritm|naturliga logaritmen]] av antalet [[mikrotillstånd]] i systemet, {{nowrap|1=''S'' = [[Boltzmanns konstant|''k<sub>B</sub>'']] · ln(''W'')}}. Denna definition används inom den statistiska delen av termodynamiken, [[statistisk mekanik]], men lämpar sig inte vid analys av större och mer komplicerade system, eftersom antalet mikrotillstånd ''W'' blir mycket svårberäknat. Inom den klassiska termodynamiken används istället [[Clausius olikhet]], en matematisk formulering av andra huvudsatsen som beskriver entropiförändring d''S'' för ett system som genomgår en [[reversibel process]] som kvoten mellan mängden tillfört värme δ''Q'' och den absoluta temperaturen ''T'':

: <math>dS = \frac{\delta Q}{T} \!</math>

Detta kan skrivas om som {{nowrap|1=δ''Q'' = ''T''d''S''}}, en mycket praktiskt användbar ekvation för idealiserade reversibla processer. Generellt ger den klassiska definitionen av entropi samma resultat för entropiförändring som den statistiska definitionen för samma process.<ref>Laird 2009, sid. 424-435</ref><ref>Çengel 2008, sid. 297-304</ref>

=== Tredje huvudsatsen ===
{{huvudartikel|Termodynamikens tredje huvudsats}}
Termodynamikens tredje huvudsats behandlar, liksom andra huvudsatsen, begreppet entropi och dess natur vid [[absoluta nollpunkten]].
{{citat|Entropin för en perfekt kristall närmar sig noll då den absoluta temperaturen närmar sig noll.}}
För de flesta rena ämnen är den mest stabila formen vid 0 K en perfekt [[kristallstruktur]]. Allmänt utgör denna struktur ett unikt [[mikrotillstånd]] ''W'' och utifrån [[Ludwig Boltzmann|Boltzmanns]] statistiska entropidefinition, {{nowrap|1=''S'' = [[Boltzmanns konstant|''k<sub>B</sub>'']] · ln(''W'')}}, ger detta {{nowrap|1=''S'' = 0}} då {{nowrap|1=''W'' = 1}}. Flera termodynamiska storheter, såsom [[inre energi]] och [[entalpi]] kan bara mätas relativt en godtycklig referenspunkt och alltså aldrig bestämmas till sitt absoluta värde. Entropier kan däremot bestämmas absolut, för som en följd av tredje huvudsatsen kan de ges med absoluta nollpunkten som referenspunkt. Absoluta entropier är ett mycket användbart verktyg inom den [[kemisk termodynamik|kemiska termodynamiken]] och används bland annat vid analys och beräkningar av [[kemisk reaktion|kemiska reaktioner]].

Det är värt att notera att termodynamikens tredje huvudsats enbart gäller för perfekta kristaller. Det finns många undantag där ämnen och föreningar inte har en absolut entropi {{nowrap|1=''S'' = 0}} vid absoluta nollpunkten. [[Helium]] är ett viktigt sådant undantag. Detta kan bland annat bero på att ämnet i fråga inte har en unik stabil struktur vid 0 K eller att defekter och orenheter har "frusit in" i ämnet, något som gör att de verkliga entropivärdena inte alltid stämmer överens med de teoretiska. I praktiken kan absoluta nollpunkten inte ens nås av perfekta kristaller, och således kan aldrig entropin nå värdet noll. Det beror på den [[termisk rörelse|termiska rörelsen]] hos alla partiklar med en temperatur {{nowrap|1=''T'' > 0}}.<ref>Laird 2009, sid. 440-444</ref><ref>Çengel 2008, sid. 312-314</ref>

== Grundläggande begrepp ==
=== System ===
[[Fil:System boundary sv.png|200px|miniatyr|höger|Ett termodynamiskt system avgränsas från omgivningen av en fysisk eller hypotetisk gräns.]]
{{huvudartikel|Termodynamiskt system}}
Ett viktigt koncept inom termodynamiken är det termodynamiska systemet, en avgränsad del av universum under betraktande. Systemet avgränsas från resten av universum, omgivningen, med en fysisk eller hypotetisk gräns.<ref>{{bokref|efternamn=Ekroth och Granryd|titel=Tillämpad termodynamik|år=2006|utgivare=Ingvar Ekroth, Eric Granryd och Studentlitteratur|isbn=978-91-44-03980-0|sid=4}}</ref> Ett system kan utgöras av vad som helst, exempelvis en [[turbin]], en [[Lösning (kemi)|lösning]] i ett [[provrör]], en levande [[organism]], en [[planet]], eller något annat.

Beroende på vilka sätt energi kan passera till omgivningen delas system ofta in i isolerade, slutna eller öppna system. Ett ''isolerat system'' är ett system där varken energi eller massa kan passera systemgränsen. I praktiken kan ett sådant system inte existera, möjligen med undantag för [[universum]] i sin helhet.<ref>Serway et al. 2006, sid. 197</ref> Ett isolerat system kan ses som ett specialfall av ett ''slutet system'', det vill säga ett system där endast energi i form av värme och arbete kan passera systemgränsen.<ref>{{bokref|efternamn=Ekroth och Granryd|titel=Tillämpad termodynamik|år=2006|utgivare=Ingvar Ekroth, Eric Granryd och Studentlitteratur|isbn=978-91-44-03980-0|sid=5}}</ref> Ett stängt växthus kan ses som ett exempel på ett slutet system som utväxlar värme, dock inte arbete, med sin omgivning. Huruvida ett system utväxlar värme, arbete eller bådadera kan variera och är en viktig egenskap för ett system och dess systemgräns. Ett ''öppet system'', exempelvis en [[kompressor]], kan utväxla såväl värme, arbete som massa med sin omgivning och kallas ibland för kontrollvolym eftersom det utgörs av en begränsad volym.<ref name="system">Çengel 2008, sid. 2-28</ref>

Många beräkningar och ekvationer inom termodynamiken bygger på förenklade modeller av perfekt slutna, öppna eller isolerade system.

=== Storhet ===
{{huvudartikel|Tillståndsstorhet|processtorhet|intensiv och extensiv storhet}}
En karaktäristisk egenskap hos ett system kallas storhet, exempel på storheter kan vara [[temperatur]] ''T'', [[entropi]] ''S'', [[värme]] ''Q'' eller [[densitet]] ''ρ''. Storheterna inom termodynamiken delas ofta in i processtorheter och tillståndsstorheter beroende på deras egenskaper vid en process. Storheter som värme och arbete är båda beroende av på vilket sätt en process genomgåtts, det vill säga dess processväg. Tillståndsstorheter som temperatur och tryck är å andra sidan inte vägberoende utan deras storlek bestäms entydigt av systemets tillstånd. Matematiskt kan detta ses som en indelning i storheter som utgör inexakta (processtorheter) och exakta (tillståndsstorheter) [[differential]]er.<ref>Sturge 2003, sid. 398</ref>

Ett annat vanligt sätt att dela in de termodynamiska storheterna är i [[Intensiv och extensiv storhet|intensiva och extensiva storheter]]. Extensiva storheter ökar och minskar med systemets storlek, dess massa och volym. Hit hör bland annat [[massa]] ''m'', [[inre energi]] ''U'' och [[volym]] ''V''. De intensiva storheterna är till skillnad mot de extensiva inte beroende av systemets storlek, hit hör temperatur, densitet och tryck. För att skilja storheterna åt betecknas ofta intensiva storheter med gemener och extensiva med versaler, dock med viktiga undantag som temperatur ''T'', tryck ''P'' och massa ''m''. Extensiva storheter per massenhet kallas specifika storheter och betecknas vanligen med gemen bokstav, exempelvis specifik volym (''v'' = ''V''/''m'') och specifik entropi (''s'' = ''S''/''m'').<ref name="system" />

=== Tillstånd ===
{{huvudartikel|Termodynamiskt tillstånd}}
Om tillräckligt många tillståndsstorheter är kända i ett system sägs dessa utgöra ett tillstånd. Ett tillstånd är unikt och har bestämda värden på samtliga storheter, om en storhet skulle ändras skulle detta även förändra tillståndet. Om systemet är homogent och tillståndet statiskt sägs systemet vara i [[jämvikt]], detta innebär att om system isoleras från sin omgivning förändras inte värdet på dess storheter. Naturliga system är ofta dynamiska och relativt komplexa men i många fall kan de efterliknas med modeller av system i jämviktstillstånd.<ref name="system" /><ref name="tillstånd">Alvarez 2006, del 1, sid. 245-260</ref>

Jämvikt kan delas in i en rad underordnade tillstånd som alla måste vara uppfyllda för att system ska kunna antas vara i fullständig jämvikt. [[Termisk jämvikt]] innebär att det inte finns någon temperaturdifferens i systemet. Den närliggande vetenskapen [[värmeöverföring]] behandlar i princip enbart system som inte är i termisk jämvikt. [[Kemisk jämvikt]] innebär att den kemiska sammansättningen i systemet inte förändras med tiden. Mekanisk jämvikt är frånvaro av [[tryck]]skillnad inom ett system, vanligtvis bortser man från den tryckskillnad som åstadkoms av [[gravitation]]en på grund av höjdskillnad. Om systemet innefattar flera [[Fas (termodynamik)|faser]] krävs även att massan hos dessa faser når jämviktstillstånd.<ref name="system" />

För att entydigt kunna definiera tillståndet hos ett system krävs inte att alla tillståndsstorheter är kända. Då tillräckligt många storheter är kända kan värdet på de resterande beräknas ur så kallade [[tillståndsekvation]]er, exempelvis [[ideala gaslagen]]. Detta slås fast i en viktig termodynamisk lag, [[tillståndspostulatet]]:
{{citat|Tillståndet hos ett enkelt kompressibelt system är entydigt bestämt av två oberoende intensiva tillståndsstorheter.}}
Ett enkelt kompressibelt system är ett system som inte påverkas av externa effekter från kraftfält. Antalet tillståndsstorheter som behövs för andra system kan i själva verket variera och beror på hur många externa effekter som behöver tas i beaktande, exempel på sådana effekter är [[magnetfält]], [[gravitation]], [[ytspänning]], med mera.<ref name="system" /><ref name="tillstånd">Alvarez 2006, del 1, sid. 245-260</ref>

=== Process ===
[[Fil:Stirling Cycle color.png|miniatyr|höger|Ett exempel på en serie termodynamiska processer som tillsammans utgör [[Stirlingcykel]]n, process 1 och 3  på bilden är isoterma medan 2 och 4 är isokora processer.]]
{{huvudartikel|Termodynamisk process}}
Termodynamisk process är ett begrepp som används för att beskriva den förändring som sker då ett termodynamiskt system övergår från ett tillstånd till ett annat. De tillstånd systemet passerar i en process brukar kallas ''processväg''. För att en process ska vara fullständigt definierad måste både det ursprungliga och slutliga tillståndet beskrivas, såväl som processvägen och den påverkan processen gör på sin omgivningen. Vid modellering av termodynamiska processer brukar man ofta utgå från en så kallad [[kvasistatisk process]], i vilken varje processteg sker så långsamt att systemet i stort sett är i ständig jämvikt. Det är dock viktigt att notera att inga sådana processer existerar i verkligheten.<ref name="process">Çengel 2008, sid. 28-30</ref>

Vid analys av olika idealiserade modeller används ofta olika standardiserade former av processer:<ref name="process" /><ref>Laird 2009, sid. 370-374</ref>

* {{ankare|Isobar process}}En ''isobar process'' sker vid konstant [[tryck]] ''P''. Ett exempel skulle kunna vara en fri kolv i en cylinder som ständigt håller atmosfärstryck, utan att vara direkt öppen mot atmosfären. 
* En ''[[isokor process]]'' sker då [[volym]]en ''V'' hålls konstant. Exempelvis en sluten och fast behållare innehållande luft. Allt värme som tillförs systemet kommer då omvandlas till [[inre energi]].
* En ''[[isoterm process]]'' sker vid konstant temperatur ''T'' och bör inte förväxlas med en adiabatisk process (se nedan). 
* En ''[[adiabatisk process]]'' är en process där inget värme ''Q'' tillförs eller lämnar systemet. För en [[reversibel process]] är detta identiskt med en isentrop process. En perfekt termiskt isolerad sluten [[termos]] skulle kunna ses som ett adiabatiskt system, det vill säga ett system som kan genomgå en adiabatisk process. 
* En ''[[isentrop process]]'' sker vid konstant [[entropi]] ''S''.

== Grenar ==
=== Klassisk termodynamik ===
[[Fil:Dampfturbine Laeufer01.jpg|miniatyr|höger|[[Rotor]]n på en [[ångturbin]]. Att utveckla och förbättra kraftmaskiner av det här slaget är en tillämpning av klassisk termodynamik och strömningslära.]]
Klassisk termodynamik är en [[Empiri|empirisk]] och [[makroskopisk]] gren av termodynamiken nära kopplad till vetenskaper som [[klassisk mekanik]], [[strömningsmekanik|strömningslära]] och [[värmeöverföring]]. Grenen behandlar till största del system som kan idealiseras som [[Kontinuum (fysik)|kontinuum]], det vill säga system som är stora nog att betraktas som homogena kroppar, utan hänsyn till beteendet hos enskilda [[partikel|partiklar]]. Detta är också fallet för i stort sett alla verkliga system, som exempelvis [[turbin]]er eller [[värmemaskin]]er. Ofta görs också förenklingen att de termodynamiska systemen befinner sig i jämvikt och det går då med stor noggrannhet att bestämma makroskopiska storheter som tryck, temperatur och densitet.<ref name="system" />

Grenen har på grund av sitt relativt enkla tillvägagångssätt många tekniska tillämpningar kopplade till [[energiomvandling|omvandling]] och transport av energi. Ingenjörerna [[Thomas Savery]] och [[Thomas Newcomen]] konstruerade redan vid sekelskiftet 1600-/1700-talet de första [[ångmaskin]]erna, vilka senare kom att utvecklas i takt med den klassiska termodynamikens frammarsch. I dag används den klassiska termodynamiken i stor utsträckning för liknande ändamål vid [[Matematisk modell|modellering]] av cykliska processer för [[motor]]er, [[kompressor]]er, [[ångturbin|ång-]] och [[gasturbin]]er, och andra förlopp för [[kraft]]generering. [[Ottomotor]], [[jetmotor]] och [[dieselmotor]] är exempel på tillämpning av kretsprocesser inom [[fordon]]sindustrin.<ref name="system" />

=== Statistisk termodynamik ===
{{huvudartikel|Statistisk mekanik}}
Statistisk termodynamik, eller statistisk mekanik, är en gren av [[kvantmekanik]]en. Den tillämpar [[sannolikhetsfördelning]] och andra [[statistik|statistiska metoder]] för att på ett ''mikroskopiskt'' plan studera termodynamiska beteenden och egenskaper hos partiklar. Utifrån detta kan ''makroskopiska'' storheter som [[temperatur]], [[entropi]] och [[inre energi]] beräknas som genomsnittliga egenskaper hos systemets [[molekyl]]er och [[atom]]er. Med andra ord kopplar den statistiska termodynamiken samman den kvantmekaniska världens osäkerhet och den tillämpade klassiska termodynamikens [[turbin]]er, [[kompressor]]er och [[motor]]er.<ref name="stat1">Laurendeau 2005, sid. 1-4</ref><ref name="historia" /> Till skillnad från klassisk termodynamik lämpar sig inte den statistiska vid undersökning av makroskopiska system och behandlas således oftast av [[fysiker]] snarare än av [[tekniker]] och [[ingenjörer]].<ref>Sturge 2003, sid. 1-4</ref>

[[Fil:Maxwell-Distr.png|miniatyr|höger|[[Maxwell-Boltzmannfördelning]] för hastigheten hos [[kväve|kvävgasmolekyler]] (N<sub>2</sub>) vid tre olika temperaturer. Fördelningar av den här typen är ett exempel på tillämpning av statistisk termodynamik.]]
Den mest generella statistiska metoden för att bestämma termodynamiska egenskaper är [[statistisk ensemble|ensemblemetoden]], utvecklad av den teoretiske fysikern och kemisten [[Josiah Willard Gibbs]] (1839-1903). En ensemble kan sägas vara ett isolerat supersystem bestående av en stor samling av mikroskopiska system. Beroende på mikrosystemens egenskaper brukar man dela in ensembler i [[mikrokanonisk ensemble|mikrokanoniska]], [[kanonisk ensemble|kanoniska]] och [[storkanonisk ensemble|storkanoniska]]. I en storkanonisk ensemble är alla mikrosystem öppna och isoterma, det vill säga att de kan utväxla massa med sin omgivning under konstant temperatur. I en kanonisk ensemble är istället alla mikrosystem slutna och isoterma. Den mest inskränkta formen av en statistisk ensemble är den mikrokanoniska, vilken förutsätter helt isolerade mikrosystem. För att förenkla analys inom den statistiska termodynamiken utgår man ibland från en kanonisk ensemble där varje mikrosystem endast består av en enskild partikel. Detta gör ensemblen ekvivalent med ett termodynamiskt system inom [[Maxwell–Boltzmannfördelning|Maxwell–Boltzmann-statistiken]], en av de stora metoderna för sannolikhetsfördelning inom statistisk termodynamik.<ref name="stat2">Laurendeau 2005, sid. 31-38</ref>

För att matematiskt bestämma det mest troliga makrotillståndet för ett termodynamiskt system finns det utöver Maxwell–Boltzmann-statistiken två stora metoder för tillämpning av sannolikhetsfördelning, [[Bose-Einstein-statistik]] och [[Fermi-Dirac-statistik]]. Dessa båda metoder behandlar egenskaper hos olika former av [[ourskiljbara partiklar]], [[boson]]er respektive [[fermion]]er. <ref name="stat2" />

=== Kemisk termodynamik ===
{{huvudartikel|Kemisk termodynamik|termokemi}}
Kemisk termodynamik och den närliggande termokemin studerar kopplingen mellan [[energi]] och [[kemisk reaktion|kemiska reaktioner]]. Disciplinen har utvecklats sedan mitten av 1800-talet då [[Kalorimeter|kalorimetriska mätmetoder]] gjorde det möjligt att studera värmeutbytet vid reaktioner. Kemisten [[Germain Henri Hess]] formulerade 1840 [[Hess lag]], en termokemiskt viktig lag som postulerar att [[entalpi]] ''H'' är en tillståndsfunktion och således oberoende av processvägen mellan [[reaktant]]er och [[Reaktionsprodukt|produkt]]er. Detta kan bland annat utnyttjas för att avgöra om en reaktion är [[Exoterm reaktion|exoterm]] (avger värme) eller [[Exoterm reaktion|endoterm]] (tar upp värme).<ref>Laird 2009, sid. 364-365</ref><ref>{{NE|författare=Ingemar Wadsjö|titel=Termokemi|hämtdatum=2010-02-17}}</ref><ref>{{NE|författare=Levi Tansjö|titel=Termodynamik|hämtdatum=2010-02-17}}</ref>

I slutet av 1800-talet kombinerade [[Josiah Willard Gibbs]] begreppen entropi och entalpi i [[Gibbs fria energi]] (''G''), ett uttryck för spontaniteten hos kemiska reaktioner.

:<math>\Delta G = \Delta H - T\Delta S \,</math>

I enlighet med termodynamikens andra huvudsats sker processer bara spontant i en riktning, med Gibbs fria energi kan detta beskrivas i villkoret {{nowrap|1=ΔG < 0}}. En stor fördel med denna tillståndsfunktion är att den eliminerar behovet att studera systemets omgivning vid analys av reaktioner. En mindre vanlig men snarlik storhet är [[Helmholtz fria energi]] (''A''), {{nowrap|1=Δ''A'' = Δ''U'' - ''T''Δ''S''}}, som kan användas för att avgöra spontaniteten hos processer som sker vid konstant volym.<ref name="gibbs fria">Laird 2009, sid. 446-450</ref>

Ett annat fenomen som studeras inom termokemin är ämnens förmåga att absorbera och avge [[värme]], något som ofta beskrivs med [[värmekapacitet]]er (''C''). Till skillnad mot [[inre energi]] och [[entalpi]] är värmekapacitet en egenskap som är direkt mätbar hos ämnen och som är av stor betydelse inom många områden. Vid konstant tryck respektive konstant volym kan värmekapaciteter utnyttjas för att beskriva förändring i entalpi respektive inre energi.<ref>Laird 2009, sid. 381-384</ref>

== Tillämpning ==
[[Fil:ULPower UL260i.jpg|miniatyr|höger|En mindre [[Cylinder (maskindel)|fyrcylindrig]] [[flygmotor]] med [[bränsleinsprutning]], en termodynamisk tillämpning inom fordonsindustrin.]]
[[Fil:Dennis 2005-07-07 1550Z.jpg|miniatyr|höger|[[Orkanen Dennis]] drabbade [[Haiti]], [[Kuba]] och [[USA]] under juli 2005. Den kinetiska energin i stormar av det här slaget härstammar huvudsakligen från den latenta värmen som avges då fuktig luft från havet stiger och kondenseras i atmosfären.]]
I stort sett alla aktiviteter och processer i naturen involverar på något sätt interaktion mellan [[materia]] och [[energi]]. Tillämpning av grundläggande termodynamiska principer är därför av stor vikt inom många [[teknik|tekniska]] och [[naturvetenskap]]liga områden; såväl den [[Människans anatomi|mänskliga kroppen]] som [[kärnkraftverk]] och [[jetmotor]]er måste följa termodynamikens huvudsatser och lagar.<ref name="historia" /> Många av de områden där mer avancerad termodynamik behandlas involverar [[ingenjör]]er inom [[kemiteknik|kemi-]] och [[maskinteknik]], exempelvis energiteknik, materialvetenskap och förbränningslära. Nedan beskrivs kort några tillämpade områden inom termodynamiken.

* Inom ''[[astronomi]]n'' och ''[[kosmologi]]n'' används termodynamiken för att förklara och förutse [[stjärnor]]nas egenskaper och utveckling. Gravitationen vill få en stjärna att dra sig samman och öka förbränningstakten medan [[Strålningstryck|strålningstrycket]] vill få den att expandera och därmed svalna.<ref>Bradley et al. 1996, sid. 350-365 </ref> [[Huvudseriestjärna|Huvudseriestjärnors]] värmeproduktion kan med stor noggrannhet beräknas med enkla tvådimensionella datormodeller. Värmeproduktionen i stjärnor som lämnat huvudserien och blivit [[Röd jätte|röda jättar]] eller som går under i en [[supernova]]explosion måste beräknas med komplexa tredimensionella modeller som tar hänsyn till bland annat turbulens och magnetfält.<ref>{{tidskriftsref| författare = Girardi, L.; Bressan, A.; Bertelli, G.; Chiosi, C.| rubrik = Evolutionary Tracks and Isochrones For Low- and Intermediate-mass Stars| url = https://aas.aanda.org/articles/aas/pdf/2000/03/h1614.pdf| år = 2000| tidskrift = Astronomy and Astrophysics Supplement Series| volym = 141| sid = 371-383| hämtdatum = | issn = 0365-0138}}
</ref>
* ''[[Energiteknik]]'' är ett tvärvetenskapligt område som huvudsakligen behandlar produktion av [[elektricitet]] och [[värme]]. I [[värmekraftverk]] används höga [[temperatur]]er från exempelvis [[förbränning]] eller [[fission|kärnklyvning]] för att via en [[turbin]] generera elektricitet. I ett [[kraftvärmeverk]] sker samtidig produktion av elektricitet och värme.<ref>Alvarez 2006, del 2, sid. 806</ref> En majoritet av världens elproduktion sker i kraftverk av de här typerna där [[fossila bränslen]], [[biomassa (ekonomi)|biomassa]] eller [[kärnbränsle]] används för att skapa höga temperaturer.<ref>Boyle 2004, sid. 6-7</ref>
* Inom ''[[Transport|transportindustrin]]'' är [[förbränningsmotor]]er, och då särskilt [[kolvmotor]]er, ett stort tillämpningsområde. Genom kompression av [[luft]] och [[förbränning]] av [[kolväte]]n som [[Dieselolja|diesel]], [[metan]] eller [[bensin]] drivs motorns [[Kolv (maskindel)|kolvar]] att producera [[mekaniskt arbete]] som kan användas för att driva en bil, båt eller annat transportmedel. [[ottomotor|Otto-]] och [[dieselmotor|dieselcyklerna]] är exempel där termodynamiska kretsprocesser kan användas för att modellera arbetsförloppet i en verklig motor.<ref>Alvarez 2006, del 2, sid. 997-1031</ref>
* ''[[kylteknik|Kyl-]] och [[värmeteknik]]'' bygger på att motverka det faktum att värme flödar från en hög temperatur till en låg, ett uttryck för [[termodynamikens andra huvudsats]]. I många fall är det önskvärt att hålla en konstant hög eller låg temperatur i ett visst utrymme, exempelvis i ett [[kylskåp]] eller ett [[bostadshus]], vilket kan åstadkommas med en så kallad [[värmepump]]. Värmepumpar flyttar värme från ett område med låg temperatur till ett område med högre temperatur och motverkar på så vis det naturliga värmeflödet.<ref name="COP" />
* ''[[Materialvetenskap]]'' tillämpar termodynamiken för att avgöra hur [[material]] agerar och reagerar vid olika förhållanden. Ett användningsområde är [[fasdiagram]], vilket beskriver hur ett ämne beter sig vid olika [[termodynamiskt tillstånd|tillstånd]]. Detta tillsammans med ämnets värmeabsorberande förmåga, dess [[värmekapacitet]], är grundläggande och vitala kunskaper för att beskriva de kemiska och termiska egenskaperna hos material.<ref>Laird 2009, sid. 466-467</ref> Med hjälp av bland annat [[Gibbs fria energi]] går det även att avgöra hur potenta olika reaktioner inom och mellan material är.<ref name="gibbs fria" />
* Fält som ''[[bioteknik]]'', ''[[medicinsk vetenskap]]'' och ''[[molekylärbiologi]]'' använder principer från den klassiska och statistiska termodynamiken för att beskriva allt från [[organ]] som [[hjärta]]t till enskilda [[enzym]]er och [[protein]]er. Med hjälp av termodynamisk analys kan man förstå molekylära mekanismer hos en lång rad biologiska funktioner som enzymatisk [[katalys]], [[signaltransduktion]] och [[genduplikation]].<ref>Mizutani 2011, sid. IX</ref> Inom medicinen kan [[entalpi]]skillnader mellan frisk och sjuk vävnad användas för att mäta aktiviteten hos olika former av [[cancer]].<ref>Mizutani 2011, sid. 203</ref>
* Inom ''[[meteorologi]]n'' utnyttjas [[atmosfärens termodynamik]], värmeöverföring och strömningslära för att beskriva och förutse olika typer av [[väder]]fenomen. Ett viktigt exempel på tillämpning är studiet av [[storm]]ar, [[orkan]]er och [[tropisk cyklon|tropiska cykloner]]. En tropisk cyklon kan modelleras som en [[värmemotor]] driven av atmosfärens temperaturskillnad. Varm fuktig luft stiger varvid den expanderar och [[kondensation|kondenseras]], vilket leder till att stora mängder [[latent värme]] frigörs och kan omvandlas till [[kinetisk energi]] i stormen.<ref>Zhu 2003, sid. 308</ref>

== Se även ==
* [[Energiteknik]]
* [[Förbränning]]
* [[Strömningsmekanik]]
* [[Termokemi]]
* [[Värme]]
* [[Värmeöverföring]]

== Anmärkningar ==
{{Anmärkningslista}}

== Referenser ==
=== Noter ===
<references/>

=== Tryckta källor ===
* {{bokref |efternamn=Alvarez |förnamn=Henrik|titel=Energiteknik, del 1 |år=2006 |origår = 1990|utgivare=Studentlitteratur |isbn=978-91-44-04509-2|upplaga=upplaga 3:4}}
* {{bokref |efternamn=Alvarez |förnamn=Henrik|titel=Energiteknik, del 2 |år=2006 |origår = 1990|utgivare=Studentlitteratur |isbn=978-91-44-04510-8|upplaga=upplaga 3:4}}
* {{bokref |efternamn=Boyle |förnamn=Godfrey |titel=Renewable Energy - Power for a Sustainable Future |upplaga=andra upplagan|år=2004|utgivare=Oxford University Press |isbn=0-19-926178-4}}
* {{bokref|titel=An Introduction to Modern Astrophysics|författare=Bradley W., Carrol, Dale A., Ostlie|år=1996|id={{ISBN|0-321-21030-1}}}}
* {{bokref |efternamn=Çengel |förnamn=Yunus A. |medförfattare=Turner, R.; Cimbala, J. |titel=Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences |upplaga=tredje upplagan |år=2008 |utgivare=McGraw-Hill |isbn=978-007-126631-4}}
* {{bokref | förnamn=Willard |efternamn=Gibbs |titel=The Scientific Papers of J. Willard Gibbs, Volume One: Thermodynamics | utgivare=Ox Bow Press | år=1993 | isbn=0-918024-77-3 | oclc=27974820}}
* {{bokref |efternamn=Laird |förnamn=Brian B.|titel=University Chemistry |år=2009 |utgivare=McGraw-Hill |isbn=978-0-07-128774-6}}
* {{bokref |efternamn=Laurendeau |förnamn=Normand M.|titel=Statistical Thermodynamics |år=2005 |utgivare=Cambridge University Press |isbn=978-0-521-84635-6}}
* {{bokref | efternamn=Lewis |förnamn=Gilbert N. | medförfattare=Randall, Merle | titel=Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances | utgivare=McGraw-Hill |år=1923}}
* {{bokref|redaktör=Mizutani, Tadashi (red.)|titel=Application of Thermodynamics to Biological and Materials Science |url=http://www.intechopen.com/books/show/title/application-of-thermodynamics-to-biological-and-materials-science|år=2011 |utgivare=InTech |isbn=978-953-307-980-6}}
* {{bokref | förnamn=James R. |efternamn=Partington |titel=A Short History of Chemistry | utgivare=Dover | år=1989 | isbn= | oclc=19353301}}
* {{bokref | förnamn=Pierre |efternamn=Perrot | titel=A to Z of Thermodynamics | utgivare=Oxford University Press | år=1998 | isbn=0-19-856552-6 | oclc=123283342 38073404}}
* {{bokref |efternamn=Serway |förnamn=Raymond A. |medförfattare=Jewett, John W. |titel=Principles of Physics |url=http://books.google.se/books?id=1DZz341Pp50C&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false |upplaga=fjärde upplagan |år=2006 |utgivare=Cengage Learning |isbn=0-534-49143-X}}
* {{bokref |efternamn=Sturge |förnamn=Michael Dudley |titel=Statistical and Thermal Physics: Fundamentals and Applications |url=http://books.google.se/books?id=jFvqajWJAOsC&source=gbs_navlinks_s |år=2003 |utgivare=AK Peters |isbn=9781568811963}}
* {{bokref |efternamn=Rajput |förnamn=R.K. |titel=Comprehensice Engineering Thermodynamics |url=http://books.google.se/books?id=lSFBOEXSJikC&source=gbs_navlinks_s |år=2005 |isbn=8170086418}}
* {{bokref |efternamn=Zhu |förnamn=Yong|titel=Large-Scale Inhomogenous Thermodynamics - And Application for Atmospheric Energetics|år=2003 |utgivare=Cambridge International Science Publishing|isbn=9781904602835}}

== Externa länkar ==
*{{commons|Thermodynamics}}

{{auktoritetsdata}}
{{Utmärkt}}
[[Kategori:Termodynamik| ]]
[[Kategori:Wikipedia:Basartiklar]]