miniatura|Típic sistema termodinàmic, el qual mostra l'aportació d'una font de calor (caldera) (a l'esquerra) i una sortida a un dissipador de calor (condensador) (a la dreta). El treball és extret, en aquest cas per una sèrie de pistons.
La termodinàmica (del grec θερμo-, thérmë, que significa "calor"El llenguatge de la física Julio Pellicer, M. Jesús Hernández i Vicente M. Aguilella. Revista de Física. 2n semestre de 1998. pàg. 55. Institut d'Estudis Catalans. i δύναμις, dynamis, que significa "força") és la branca de la física i la química que estudia els efectes dels canvis de la temperatura, pressió i volum dels sistemes físics a un nivell macroscòpic. Aproximadament, calor significa "energia en trànsit" i dinàmica es refereix al "moviment", per la qual cosa, en essència, la termodinàmica estudia la circulació de l'energia i com l'energia infon moviment. Així, estudia els fenòmens físics relacionats amb la calor i la temperatura, és a dir, el moviment desordenat de les partícules que formen la matèria. Històricament, la termodinàmica es va desenvolupar a partir de la necessitat d'augmentar l'eficiència de les primeres màquines de vapor.
El punt de partida per a la major part de les consideracions termodinàmiques són les lleis de la termodinàmica, que postulen que l'energia pot ser intercanviada entre sistemes físics en forma de calor o treball. També es postula l'existència d'una magnitud anomenada entropia, que pot ser definida per a qualsevol sistema. A la termodinàmica s'estudien i classifiquen les interaccions entre diversos sistemes, fet que porta a definir conceptes com a sistema termodinàmic i el seu contorn. Un sistema termodinàmic es caracteritza per les seves propietats, relacionades entre si mitjançant les equacions d'estat. Aquestes es poden combinar per expressar l'energia interna i els potencials termodinàmics, útils per determinar les condicions d'equilibri entre sistemes i els processos espontanis.
Amb aquestes eines, la termodinàmica descriu com els sistemes responen als canvis en el seu entorn. Això es pot aplicar a una àmplia varietat de temes de ciència i enginyeria, tals com motors, transicions de fase, reaccions químiques, fenòmens de transport, i fins i tot forats negres. Els resultats de la termodinàmica són essencials per a altres camps de la física i la química, enginyeria química, enginyeria aeroespacial, enginyeria mecànica, biologia cel·lular, enginyeria biomèdica, i la ciència de materials per anomenar-ne alguns.
Història miniatura|Sadi Carnot (1796-1832) és considerat el pare de la termodinàmica La història de la termodinàmica com a disciplina científica generalment comença amb Otto von Guericke que, el 1650, va construir i va dissenyar la primera bomba de buit del món i va demostrar l'existència del buit fent servir els seus hemisferis de Magdeburg. El que va portar Guericke a fer el buit va ser la idea de refutar la suposició feta per Aristòtil i acceptada durant molt de temps que 'la natura odia el buit'. Poc després que Guericke, el físic i farmacèutic irlandès Robert Boyle es va assabentar dels dissenys de Guericke i, el 1656, en coordinació amb el científic anglès Robert Hooke, varen construir una bomba d'aire. Fent servir aquesta bomba, Boyle i Hooke van observar una correlació entre pressió, temperatura, i volum. Llavors van formular la Llei de Boyle, la qual estableix que la pressió i el volum són inversament proporcionals. El 1679, basant-se en aquests conceptes, un soci de Boyle anomenat Denis Papin va construir un digestor d'ossos, que era un recipient tancat amb un estretament on una tapadora amb un pes retenia el vapor fins que es generava una pressió prou alta i que servia per a extreure el greix dels ossos. Un giny precursor de l'autoclau i de l'olla de pressió domèstica.
En dissenys posteriors hi va implementar una vàlvula de seguretat que impedia que la màquina explotés. Mirant la vàlvula movent-se rítmicament amunt i avall, Papin va concebre la idea de l'èmbol i del cilindre de motor. Tanmateix no va desenvolupar el seu disseny. No obstant això, el 1697, basant-se en els dissenys de Papin, l'enginyer Thomas Savery va construir el primer motor, el seu exemple va ser seguit el 1712 per Thomas Newcomen. Encara que aquests primers motors eren molt ineficients, van atreure l'atenció dels principals científics de l'època.
Els conceptes fonamentals de capacitat calorífica i calor latent, que eren necessaris per al desenvolupament de la termodinàmica, van ser desenvolupats pel professor Joseph Black a la Universitat de Glasgow, on també treballava James Watt com a fabricant d'instruments. Watt va consultar Black per tal d'experimentar amb la seva màquina de vapor, però va ser Watt qui va concebre la idea d'un condensador de vapor extern que va comportar un gran augment de l'eficiència de la màquina de vapor. Sobre la base de tot el treball anterior, Sadi Carnot, considerat el "pare de la termodinàmica", va publicar el 1824 Reflections on the Motive Power of Fire (Reflexions sobre l'energia motiva del foc), un discurs sobre la calor, la potència, l'energia i l'eficiència dels motors. El document descriu les relacions energètiques bàsiques entre la màquina de Carnot, el cicle de Carnot i la força motriu. Això va marcar l'inici de la termodinàmica com a ciència moderna.
El desenvolupament de la termodinàmica com a ciència es va iniciar a principis del a conseqüència de l'interès a millorar el rendiment de les màquines de vapor., pàg. 21 El terme termodinàmica va ser encunyat per James Joule el 1849 per designar la ciència de les relacions entre la calor i la potència. La primera i la segona llei de la termodinàmica van sorgir simultàniament a la dècada del 1850, sobretot a partir de l'obra de William Rankine, Rudolf Clausius i William Thomson (Lord Kelvin).
El 1858, William Thomson va utilitzar el terme "thermo-dynamics" com a terme funcional a l'article titulat An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat.Kelvin, William T. (1849) "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat - with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam." Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2. Scanned Copy El primer llibre de text de termodinàmica va ser escrit el 1859 per William Rankine, físic de formació i professor d'enginyeria civil i mecànica a la Universitat de Glasgow.
Els fonaments de la termodinàmica estadística es van establir pels físics, com ara James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius i Josiah Willard Gibbs.
Entre els anys 1873 i 1876 el físic i matemàtic nord-americà Josiah Willard Gibbs va publicar una sèrie de tres articles, essent els més famós el titulat On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (Sobre l'equilibri de les substàncies heterogènies, en els quals mostrava com els processos termodinàmics, entre els quals s'inclouen les reaccions químiques, podien ser analitzats gràficament, mitjançant l'estudi de l'energia, l'entropia, el volum específic, la temperatura i la pressió del sistema termodinàmic, d'aquesta manera hom pot determinar si un procés podria produir-se de manera espontània.
Sistemes termodinàmics
upright=1.3|miniatura|Un sistema i la seva frontera Un concepte important en termodinàmica és el "sistema". Tot el que hi ha a l'univers excepte el sistema es coneix com a entorn. Un sistema és la regió de l'univers objecte d'estudi. Un sistema està separat de la resta de l'univers per una frontera que pot ser imaginària o no, però que, per convenció, delimita un volum finit. Els intercanvis possibles de treball, calor, o matèria entre el sistema i l'entorn tenen lloc a través d'aquesta frontera. Les fronteres són de quatre tipus: fix, mòbil, real, i imaginari.
Bàsicament, la "frontera" és simplement una línia de punts imaginària dibuixada al voltant d'un volum d'alguna cosa en què hi haurà un intercanvi d'energia interna dalguna cosa. Tot allò que passa a través de la frontera que efectua un canvi en l'energia interna de dalguna cosa s'ha de tenir en compte en l'equació de balanç energètic. Aquest alguna cosa pot ser la regió volumètrica que envolta un únic àtom en un determinat estat d'energia ressonant, com Max Planck ho va definir el 1900; pot ser un volum de vapor o aire en una màquina de vapor, com Sadi Carnot el va definir el 1824; pot ser el cos d'un cicló tropical, com Kerry Emanuel teoritzava el 1986 en el camp de la termodinàmica atmosfèrica; també podria ser només un núclid (és a dir un sistema de quarks) tal com alguns estan teoritzant actualment en termodinàmica de quàntica.
Per a un motor, un límit fix significa que l'èmbol estigui fixat en la seva posició; com a tal, ocorre un procés de volum constant. En aquell mateix motor, un límit mòbil permet que l'èmbol es mogui entrant i sortint. Per a sistemes tancats, els límits són reals mentre per a sistemes obert els límits sovint són imaginaris. Hi ha cinc classes principals de sistemes:
Sistemes Aïllats - la matèria i l'energia no poden travessar la frontera Sistemes Adiabàtics - la calor no pot travessar la frontera Sistemes Diatèrmics - la calor pot travessar la frontera Sistemes Tancats - la matèria pot no travessar la frontera Sistemes Oberts - la calor, treball, i la matèria poden travessar la frontera (en aquest cas sovint s'anomenen volum de control)
A mesura que passa el temps passa en un sistema aïllat, les diferències internes en el sistema tendeixen a equilibrar-se (forces, pressions, temperatures i diferències de densitat). Es considera que, un sistema en el qual tots els processos que s'equilibren ja han arribat pràcticament al final, és en estat d'equilibri termodinàmic.
En l'equilibri termodinàmic, les propietats d'un sistema són, per definició, invariables amb el temps. Els sistemes en l'equilibri són molt més simples i més fàcils d'entendre que els sistemes que no estan en l'equilibri. Sovint, en analitzar un procés termodinàmic, es pot suposar que cada estat intermedi en el procés està en equilibri. Això també simplifica considerablement la situació. Es diu que els processos termodinàmics que es desenvolupen tan lentament com per deixar que cada pas intermedi sigui un estat d'equilibri són processos reversibles.
Lleis de la termodinàmica Llei zero de la termodinàmica
L'equilibri termodinàmic d'un sistema es defineix com la condició del sistema en el qual les variables empíriques utilitzades per definir un estat del sistema (pressió, volum, camp elèctric, polarització, magnetització, tensió lineal, tensió superficial, entre d'altres) han arribat a un punt d'equilibri i, per tant, no varien al llarg del temps, és a dir no són dependents del temps. Aquestes variables empíriques (experimentals) d'un sistema són conegudes com a coordenades termodinàmiques del sistema.
Aquest principi s'anomena de l'equilibri termodinàmic. Si dos sistemes A i B estan en equilibri termodinàmic, i B està en equilibri termodinàmic amb un tercer sistema C, llavors A i C estan al seu torn en equilibri termodinàmic. Aquest principi és fonamental, tot i ser àmpliament acceptat; no va ser formulat formalment fins després d'haver enunciat les altres tres lleis. D'aquí que rep la posició 0.
Aquesta llei implica que l'equilibri tèrmic és una relació d'equivalència i permet construir escales termomètriques. Es fa servir implícitament sempre que es fa una mesura de temperatura: Es posa un cos B anomenat termòmetre en contacte amb un cos A i un cop el termòmetre i el cos A han arribat a l'equilibri termodinàmic es fa servir una propietat del cos B (per exemple la densitat del mercuri o la conductivitat d'una resistència elèctrica) per llegir la temperatura. Si el mateix termòmetre es posa en contacte amb un altre cos C i dona la mateixa temperatura, aquest principi afirma que el cos A i el cos C estan a la mateixa temperatura sense necessitat de posar-los en contacte i observar si es produeixen canvis en les seves propietats o no.