התרמודינמיקה היא תחום במדע העוסק במערכות ובתהליכים הקשורים בחום.

התרמודינמיקה מבוססת על 2 עקרונות ניסיוניים בסיסיים פשוטים, שהם:

חוק שימור האנרגיה – הקובע כי בכל התהליכים, בהם אנרגיה מומרת מסוג אחד לאחר, סך כל האנרגיה במערכת נותר קבוע. חוק זה מתייחס רק למצב ההתחלתי של המערכת לעומת מצבה הסופי. אין חוק זה מלמד אותנו כלום על התהליך של ההמרות, על סוגי ההמרות, או על הזמן שבו הן מתרחשות. בהמשך נראה שזהו למעשה החוק הראשון של התרמודינמיקה.
העיקרון הקובע כי: חום אינו יכול לעבור באופן ספונטני ממקום קר למקום חם ממנו. זהו למעשה עקרון הקובע חוקי איסור להתרחשות תהליכים בכיוון מסוים. עקרון זה קובע אי הפיכות (Irreversibility) בתהליכים הכוללים חום.
כדי להבין עקרונות אלו, עלינו להכיר תחילה מספר מושגים:

מהי טמפרטורה?

באופן איכותי, מתייחסים לטמפרטורה כמדד לתחושת חום או קור, במגע עם גוף. המושגים: חם, פושר, קר, קריר, וכו' מתארים תחושות בלבד, ואין הם מהווים מדד פיזיקלי הניתן למדידה, מכיוון שהם יחסיים (חם או קר ביחס למה?).

קל להראות בצורה ניסיונית כי כאשר מביאים 2 גופים מאותו חומר במגע תרמי אחד עם השני, הגוף בעל הטמפרטורה הגבוהה יותר מתקרר, והגוף שהיה קר יותר מתחמם. תהליך זה נמשך עד אשר מגיעים לנקודה בה לא מתחולל יותר שינוי. בנקודה זו מגיעות שתי המערכות (שני הגופים) לשיווי משקל תרמי.

על פי תיאור זה ניתן להגדיר טמפרטורה כגודל שהוא זהה עבור מערכות הנמצאות במצב של שיווי משקל תרמי.

הסברים על שיטות ומכשירים למדידת טמפרטורה ניתן לראות בקישור הבא.

כאשר מספר מערכות נמצאות, כל אחת, במצב של שיווי משקל תרמי עם מערכת נוספת, הן חייבות להיות בשיווי משקל תרמי כל אחת עם האחרת.

מכאן, לכל המערכות הנמצאות במצב שיווי משקל תרמי, יש אותה טמפרטורה, ללא תלות בסוג המערכת. ניסוח מעט שונה של מסקנה זו הוא למעשה חוק האפס של התרמודינמיקה.

לתרמודינמיקה יש 4 חוקים:

חוק 0 של התרמודינמיקה:

קיים מצב של שיווי משקל תרמי.

במערכת הנמצאת במצב שיווי משקל תרמי, יש לכל הגופים המרכיבים את המערכת טמפרטורה זהה. חוק זה מהווה את הבסיס המדעי למדידת טמפרטורה.

ניתן להשתמש בחוק זה גם כהגדרה לטמפרטורה: טמפרטורה היא אותה תכונה המאפיינת מערכת תרמודינמית, הנמצאת בשיווי משקל תרמודינמי עם מערכת תרמודינמית אחרת.

כיצד מודדים טמפרטורה של מערכת?

על פי מה שראינו בחוק ה 0 של התרמודינמיקה, אם אחת המערכות היא מערכת מכוילת למדידת טמפרטורה (=תרמומטר), ניתן להביא אותה למגע תרמי עם המערכת שאת הטמפרטורה שלה רוצים למדוד. ממתינים עד אשר שתי המערכות יגיעו לשיווי משקל תרמי, ואז ניתן לקרוא את הטמפרטורה במערכת המכוילת (בתרמומטר). הטמפרטורה הזו מציינת גם את הטמפרטורה של המערכת הנבדקת.

חוק I של התרמודינמיקה, המהווה למעשה את חוק שימור האנרגיה:

קובע שאנרגיה נשמרת באופן מקומי. כלומר, קיים חוק שימור אנרגיה לגבי מערכת סגורה.

בצורה מתמטית ניתן לרשום את החוק הראשון כשוויון, המתאר את שינוי האנרגיה של מערכת, באמצעות ההפרש בין העבודה (W) שמבצעת המערכת על סביבתה, לבין החום (Q) הנפלט ("מבוזבז"):

DeltaE = Q-W

על פי הסכם, הוחלט שהעבודה W מהווה גודל חיובי, כאשר המערכת מבצעת עבודה על סביבתה, ואילו החום Q הוא גודל חיובי, כאשר חום נכנס למערכת מבחוץ.

ההסבר לחוק הראשון של התרמודינמיקה הוא: שכול ירידה בכמות האנרגיה באזור מסוים של המרחב, חייבת להיות מאוזנת על ידי עליה, בו זמנית, בכמות האנרגיה באזור סמוך במרחב. יש לשים לב במיוחד למילים המודגשות בהסבר. חוקי הפיזיקה אינם מאפשרים לאנרגיה להיעלם בזמן מסוים, ולהופיע לאחר זמן, וכן אין הם מאפשרים לאנרגיה להיעלם במקום אחד, ולהופיע במקום מרוחק. (במילים עממיות: אנרגיה נשמרת "כאן ועכשיו").

אם החוק הראשון של התרמודינמיקה לא היה קיים, ניתן היה לבנות מערכת שאינה דורשת השקעת אנרגיה לצורך פעולתה (Perpetual Motion Machine of the first kind).

החוק הראשון של התרמודינמיקה מהווה למעשה, היכרות עם המושג: אנרגיה פנימית (Internal Energy) של מערכת, המסומנת בדרך כלל באות U.

חוק II של התרמודינמיקה:

החוק השני של התרמודינמיקה, מבוסס על העובדה הניסיונית, שלא ניתן להפוך חום לאנרגיה זמינה, ללא שינוי בטמפרטורה. מגדירים מדד לאי הסדר במערכת, הנקרא אנטרופיה (S). ניסוח של החוק השני של התרמודינמיקה הוא שאנטרופיה במערכת סגורה אינה יורדת. במילים פשוטות, הכוונה היא שאין אפשרות המרה של אנרגיה פנימית (חום) לאנרגיה מכנית, ביעילות של 100%. חוק זה קובע גבול עליון ליעילות ההמרה, בהתאם לטמפרטורות של חלקי המערכת. (1-T2/T1). ככול שהפרש הטמפרטורות גדול יותר, היעילות התיאורטית של מערכת ההמרה גבוהה יותר. "מערכת סגורה" היא מערכת מבודדת מסביבתה, כאשר אין כניסה ויציאה אל המערכת וממנה.

אם החוק השני של התרמודינמיקה לא היה קיים, ניתן היה לבנות מערכת בעלת יעילות של 100%, להמרת אנרגיית חום לאנרגיה מסוג אחר (Perpetual Motion Machine of the Second kind).

חוק III של התרמודינמיקה:

אנטרופיה (S) של מערכת שואפת לאפס, כאשר הטמפרטורה שואפת לאפס. זוהי למעשה נקודת הייחוס המשמשת להגדרת אנטרופיה של כל מערכת לעומתה. באמצעות החוק השלישי של התרמודינמיקה, מוגדרת למעשה נקודת האפס של הטמפרטורה המוחלטת.