RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA: KLASY I ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Równowagi termodynamicznej izolowanego układu definiuje się jako stan równowagi, w którym zmienne charakteryzujące się i może być zmierzone lub obliczone nie ulegają zmianom, ponieważ ze względu na izolację istnieją żadne siły zewnętrzne, które mają tendencję do modyfikacji tego stanu. .

Zarówno systemy, jak i klasy równowagi, które należy rozważyć, są bardzo zróżnicowane. System może być komórką, lodowatym napojem, samolotem pełnym pasażerów, osobą lub maszyną, by wymienić tylko kilka przykładów. Mogą być również izolowane, zamknięte lub otwarte, w zależności od tego, czy potrafią wymieniać energię i materię z otoczeniem.

Składniki koktajlu są w równowadze termicznej. Źródło: Pexels.

Izolowany system nie wchodzi w interakcję z otoczeniem, nic nie wchodzi ani nie opuszcza. Zamknięty system może wymieniać energię, ale nie ma znaczenia z otaczającym środowiskiem. Wreszcie, system otwarty może swobodnie dokonywać wymiany z otoczeniem.

Cóż, izolowany system, który może ewoluować wystarczająco długo, spontanicznie dąży do równowagi termodynamicznej, w której jego zmienne zachowają swoją wartość w nieskończoność. A kiedy jest to system otwarty, jego wartości muszą być takie same jak wartości środowiska.

Zostanie to osiągnięte tak długo, jak długo będą spełnione wszystkie warunki równowagi narzucone przez każdy określony typ.

Zajęcia równowagi

Równowaga termiczna

Jednym z rodzajów podstawowej równowagi jest równowaga termiczna, która występuje w wielu codziennych sytuacjach, takich jak filiżanka gorącej kawy i łyżka, za pomocą której miesza się cukier.

Taki układ ma tendencję do samoistnego uzyskiwania tej samej temperatury po pewnym czasie, po którym następuje równowaga, ponieważ wszystkie części mają tę samą temperaturę.

W takim przypadku istnieje różnica temperatur, która napędza wymianę ciepła w całym systemie. Każdy system ma czas na osiągnięcie równowagi termicznej i osiągnięcie tej samej temperatury we wszystkich punktach, zwany czasem relaksacji.

Równowaga mechaniczna

Kiedy ciśnienie we wszystkich punktach systemu jest stałe, jest ono w równowadze mechanicznej.

Równowaga chemiczna

Równowaga chemiczna, zwana także czasami równowagą materiałową, jest osiągana, gdy skład chemiczny układu pozostaje niezmieniony w czasie.

Ogólnie rzecz biorąc, układ jest rozważany w równowadze termodynamicznej, gdy jednocześnie znajduje się w równowadze termicznej i mechanicznej.

Zmienne termodynamiczne i równanie stanu

Zmienne, które są badane w celu analizy równowagi termodynamicznej układu, są zróżnicowane, a najczęściej używane to ciśnienie, objętość, masa i temperatura. Inne zmienne obejmują pozycję, prędkość i inne, których wybór zależy od badanego systemu.

Tak więc, ponieważ wskazanie współrzędnych punktu umożliwia poznanie jego dokładnego położenia, o tyle znajomość zmiennych termodynamicznych jednoznacznie określa stan układu. Gdy system jest w równowadze, zmienne te spełniają relację znaną jako równanie stanu.

Równanie stanu jest funkcją zmiennych termodynamicznych, których ogólna postać to:

Gdzie P to ciśnienie, V to objętość, a T to temperatura. Oczywiście równanie stanu można wyrazić za pomocą innych zmiennych, ale jak wspomniano wcześniej, są to zmienne najczęściej używane do charakteryzowania układów termodynamicznych.

Jednym z najlepiej znanych równań stanu jest równanie gazów doskonałych PV = nRT. Tutaj n to liczba moli, atomów lub cząsteczek, a R to stała Boltzmanna: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Równowaga termodynamiczna i zasada zerowa termodynamiki

Załóżmy, że mamy dwa układy termodynamiczne A i B z termometrem, który nazwiemy T, który styka się z układem A wystarczająco długo, aby A i T osiągnęły tę samą temperaturę. W takim przypadku można zapewnić, że A i T są w równowadze termicznej.

Przy pomocy termometru weryfikuje się zerową zasadę termodynamiki. Źródło: Pexels.

Następnie tę samą procedurę powtarza się z układem B i T. Jeżeli temperatura B okaże się taka sama jak temperatura A, to A i B są w równowadze termicznej. Wynik ten jest znany jako prawo zera lub zasada zera termodynamiki, która jest formalnie określona w następujący sposób:

Z tej zasady wynika, co następuje:

Dlatego dwa ciała w kontakcie termicznym, które nie mają tej samej temperatury, nie mogą być brane pod uwagę w równowadze termodynamicznej.

Entropia i równowaga termodynamiczna

Tym, co napędza system do osiągnięcia równowagi termicznej, jest entropia, wielkość, która wskazuje, jak blisko równowagi jest system, wskazując na jego stan nieporządku. Im więcej nieładu, tym większa jest entropia, wręcz przeciwnie, gdy układ jest bardzo uporządkowany, w tym przypadku entropia maleje.

Stan równowagi termicznej to właśnie stan maksymalnej entropii, co oznacza, że ​​każdy izolowany system samorzutnie przechodzi w stan większego nieuporządkowania.

Otóż ​​transferem energii cieplnej w układzie rządzi zmiana jego entropii. Niech S będzie entropią i oznaczmy grecką literą „delta” jej zmianę: ΔS. Zmiana, która przenosi system ze stanu początkowego do stanu końcowego, jest definiowana jako:

To równanie jest ważne tylko dla procesów odwracalnych. Proces, w którym system może w pełni powrócić do swoich warunków początkowych i znajduje się w równowadze termodynamicznej w każdym punkcie na drodze.

Przykłady układów o rosnącej entropii

- W przenoszeniu ciepła z cieplejszego ciała do zimniejszego, entropia rośnie, aż temperatura obu jest taka sama, po czym jej wartość pozostaje stała, jeśli układ jest izolowany.

- Innym przykładem zwiększania entropii jest rozpuszczanie chlorku sodu w wodzie, aż do osiągnięcia równowagi, gdy tylko sól całkowicie się rozpuści.

- W ciele stałym, które się topi, wzrasta również entropia, ponieważ cząsteczki przechodzą z bardziej uporządkowanej sytuacji, czyli ciała stałego, do bardziej nieuporządkowanej, jak ciecz.

- W niektórych typach spontanicznego rozpadu promieniotwórczego wynikająca z tego liczba cząstek wzrasta, a wraz z nią entropia układu. W innych rozpadach, w których zachodzi anihilacja cząstek, zachodzi przemiana masy w energię kinetyczną, która ostatecznie rozprasza ciepło, a także wzrasta entropia.

Takie przykłady podkreślają fakt, że równowaga termodynamiczna jest względna: układ może znajdować się w równowadze termodynamicznej lokalnie, na przykład, jeśli rozważa się układ filiżanka kawy + łyżeczka do herbaty.

Jednakże kubek do kawy + łyżeczka + system otoczenia mogą nie znajdować się w równowadze termicznej, dopóki kawa nie ostygnie całkowicie.

Bibliografia

1. Bauer, W. 2011. Fizyka dla inżynierii i nauki. Tom 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, rok 2012. Termodynamika. Edycja 7 ^ma . McGraw Hill. 15-25 i 332-334.
3. Termodynamika. Odzyskany z: ugr.es.
4. Narodowy Uniwersytet Rosario. Fizykochemiczne I. Odzyskane z: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy and Second Law of Thermodynamics in Particle and Nuclear Interactions. Uniwersytet Stanowy San Jose. Odzyskany z: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Równowaga termodynamiczna. Odzyskane z: en.wikipedia.org.