Stavová veličina

Stavová veličina alebo veličina kvality je veličina charakterizujúca stav sústavy. Vo fyzike sa stavové veličiny vyskytujú v termodynamike v súvislosti s opisom plynov, alebo tiež magnetických vlastností látok.

Termodynamika

Dôležitou súčasťou našich vedomostí o sústave je tzv. stavová rovnica, ktorá navzájom spája niektoré stavové veličiny daného systému. Príkladom je stavová rovnica ideálneho plynu

$p\cdot V=N\cdot k\cdot T$.

Stavové veličiny sa delia v závislosti na ich zmene so zmenou rozlohy skúmaného systému na:

1. Intenzívne stavové veličiny, ktorých hodnota nezávisí od veľkosti systému a je ich možné určiť pre každý bod systému. Vyjadrujú bodovú vlastnosť látky v systéme. Patrí sem napríklad:
   • tlak (p)
   • teplota (T)
   • hustota ($\varrho$)
2. Extenzívne stavové veličiny, ktorých hodnota závisí priamo úmerne na veľkosti systému. vyjadrujú vlastnosť systému. Patrí sem napríklad:
   • objem (V)
   • hmotnosť (m), resp. počet častíc (N)
   • vnútorná energia (U)
   • entropia (S)
   • voľná energia (F)
   • entalpia (H)
   • počet častíc (N)

Z iného hľadiska sa stavové veličiny delia na:

1. Referenčné (základné) veličiny, pri ktorých možno určiť ich absolútnu hodnotu. Patrí medzi ne napríklad teplota.
2. Energetické funkcie, pri ktorých nie je známa ich absolútna hodnota, určuje sa ich zmena k vhodne zvolenému referenčnému stavu. Patria sem napríklad voľná energia a entalpia.
3. Odvodené veličiny, ktoré sa určujú z veličín predošlých skupín matematickými operáciami, najčastejšie deriváciou. Patrí sem napríklad merná tepelná kapacita.

Nezávislosť od dráhy (histórie)

Aby sa fyzikálna veličina mohla nazývať stavovou, nesmie závisieť od dráhy – teda od toho, akým spôsobom sa systém dostane zo začiatočného stavu do stavu koncového. S ohľadom na túto podmienku môžeme povedať, že napríklad vnútorná energia je stavová veličina, ale práca ňou nie je. Ak chceme porozumieť prečo, predstavme si plyn s tlakom p a objemom V, ktorý zväčšíme na 2V. Toto zväčšenie objemu môže prebehnúť pri danom konštantnom tlaku, vtedy plyn vykoná prácu $W=p(2V-V)=pV$ (vykonaná práca je súčinom tlaku a zmeny objemu). Môžeme však postupovať aj inak: najprv plyn ochladíme pri nezmenenom objeme tak, aby tlak klesol na polovicu pôvodnej hodnoty. Pri tomto tlaku zväčšíme objem plynu z V na 2V a nakoniec zvýšime tlak na pôvodnú hodnotu. Celková vykonaná práca $W=(p/2)(2V-V)=pV/2$ sa líši od prvej vypočítanej – práca teda skutočne nie je stavová veličina.

Entropia

Zvláštny príklad stavovej veličiny predstavuje entropia. Z matematického hľadiska sú stavové veličiny také, ktoré majú totálny diferenciál. Ak aj neexistuje totálny diferenciál možno použiť tzv. integrálny faktor. Ak vynásobíme nestavovú veličinu napríklad parciálny diferenciál tepla q (to mimochodom nemá vlastne ani definíciu, iba intuitívnu) integrálnym faktorom 1/T dostaneme totálny diferenciál tzv. entropie. Z týchto dôvodov (stavovosti) bola entropia zavedená. Neskôr bola štatisticky interpretovaná a vďaka penetrácií do iných oblastí vedy dostala niekedy až mystický výklad (tepelná smrť a obdobné hyperbolické regresie), pričom sa zabudlo na triviálnu príčinu zavedenia pojmu.

Referencie

Fyzikálny portál Chemický portál