TERMODYNAMICKÁ ROVNOVÁHA: TRIEDY A APLIKÁCIE - FYZICKÝ - 2026

Termodynamická rovnováha izolovaného systému je definovaná ako stav rovnováhy, v ktorom premenné, ktoré ho charakterizujú, a ktoré môžu byť namerané alebo vypočítané neprechádzajú zmeny, vzhľadom na to, že vzhľadom na jeho izoláciu neexistujú žiadne vonkajšie sily, ktoré majú tendenciu k zmene tohto stavu. ,

Tak systémy, ako aj triedy rovnováhy, ktoré sa majú brať do úvahy, sú veľmi rozdielne. Systém môže byť bunka, ľadový nápoj, lietadlo plné cestujúcich, osoba alebo kus strojového zariadenia, aby sme uviedli len niekoľko príkladov. Môžu byť tiež izolované, zatvorené alebo otvorené, v závislosti od toho, či si môžu alebo nemôžu vymieňať energiu a hmotu so svojím okolím.

Zložky koktailu sú v tepelnej rovnováhe. Zdroj: Pexels.

Izolovaný systém neinteraguje s prostredím, nič ho nevstúpi ani neopustí. Uzavretý systém môže vymieňať energiu, ale nezáleží na okolitom prostredí. A konečne, otvorený systém môže voľne komunikovať so životným prostredím.

Izolovaný systém, ktorý sa môže vyvíjať dostatočne dlho, spontánne má tendenciu k termodynamickej rovnováhe, v ktorej si jeho premenné budú udržiavať svoju hodnotu neurčito. A keď ide o otvorený systém, jeho hodnoty musia byť rovnaké ako hodnoty prostredia.

Toto sa dosiahne, pokiaľ sú splnené všetky rovnovážné podmienky uložené pre každý konkrétny typ.

Triedy zostatkov

Tepelná rovnováha

Jedným z druhov základnej rovnováhy je tepelná rovnováha, ktorá je prítomná v mnohých každodenných situáciách, ako je napríklad horúca šálka kávy a lyžica, s ktorou sa cukor mieša.

Takýto systém má spontánne tendenciu získavať rovnakú teplotu po určitom čase, po ktorom nastane rovnováha, keď všetky časti majú rovnakú teplotu.

Keď sa tak stane, existuje teplotný rozdiel, ktorý riadi výmenu tepla v celom systéme. Každý systém má čas na dosiahnutie tepelnej rovnováhy a dosiahnutie rovnakej teploty vo všetkých bodoch, ktorá sa nazýva relaxačný čas.

Mechanické vyváženie

Ak je tlak vo všetkých bodoch systému konštantný, je v mechanickej rovnováhe.

Chemická rovnováha

Chemická rovnováha, niekedy nazývaná aj materiálová rovnováha, sa dosiahne vtedy, keď sa chemické zloženie systému v priebehu času nezmení.

Všeobecne sa systém považuje za termodynamickú rovnováhu, keď je súčasne v tepelnej a mechanickej rovnováhe.

Termodynamické premenné a stavová rovnica

Premenné, ktoré sa študujú na analýzu termodynamickej rovnováhy systému, sú rôzne, najčastejšie sa používajú tlak, objem, hmotnosť a teplota. Medzi ďalšie premenné patrí poloha, rýchlosť a ďalšie, ktorých výber závisí od skúmaného systému.

Preto indikácia súradníc bodu umožňuje poznať jeho presné umiestnenie, poznanie termodynamických premenných jednoznačne určuje stav systému. Keď je systém v rovnováhe, tieto premenné spĺňajú vzťah známy ako rovnica štátu.

Rovnica stavu je funkciou termodynamických premenných, ktorých všeobecná podoba je:

Keď P je tlak, V je objem a T je teplota. Prirodzene by mohla byť stavová rovnica vyjadrená pomocou iných premenných, ale ako už bolo uvedené, jedná sa o premenné, ktoré sa najčastejšie používajú na charakterizáciu termodynamických systémov.

Jednou z najznámejších stavových rovníc je rovnica ideálnych plynov PV = nRT. Tu n je počet mólov, atómov alebo molekúl a R je Boltzmannova konštanta: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodynamická rovnováha a nulový zákon termodynamiky

Predpokladajme, že máme dva termodynamické systémy A a B s teplomerom, ktoré nazývame T, ktorý je uvedený do styku so systémom A dostatočne dlho na to, aby A a T dosiahli rovnakú teplotu. V takom prípade je možné zaistiť, aby A a T boli v tepelnej rovnováhe.

Pomocou teplomeru sa overuje nulový zákon termodynamiky. Zdroj: Pexels.

Rovnaký postup sa potom opakuje so systémami B a T. Ak sa teplota B ukáže byť rovnaká ako teplota A, potom sú A a B v tepelnej rovnováhe. Tento výsledok sa nazýva nulový zákon alebo nulový princíp termodynamiky, ktorý sa formálne uvádza takto:

Z tohto princípu sa usudzuje:

Preto dve telá v tepelnom kontakte, ktoré nie sú pri rovnakej teplote, nemožno považovať za termodynamickú rovnováhu.

Entropia a termodynamická rovnováha

To, čo vedie systém k dosiahnutiu tepelnej rovnováhy, je entropia, veľkosť, ktorá naznačuje, ako blízko je systém k rovnováhe, čo naznačuje jeho stav poruchy. Čím viac porúch, tým viac entropie existuje, práve naopak, ak je systém veľmi usporiadaný, v tomto prípade entropia klesá.

Stav tepelnej rovnováhy je presne stav maximálnej entropie, čo znamená, že akýkoľvek izolovaný systém ide spontánne do stavu väčšej poruchy.

Teraz je prenos tepelnej energie v systéme riadený zmenou jeho entropie. Nech je S entropia a označme gréckym písmenom „delta“ zmenu v nej: ΔS. Zmena, ktorá prevedie systém z počiatočného stavu do konečného stavu, je definovaná ako:

Táto rovnica platí iba pre reverzibilné procesy. Proces, v ktorom sa systém môže úplne vrátiť do pôvodných podmienok a je v každom bode pozdĺž cesty v termodynamickej rovnováhe.

Príklady systémov so zvyšujúcou sa entropiou

- Pri prenose tepla z teplejšieho telesa na chladnejšie entropia stúpa, až kým teplota oboch nie je rovnaká, po čom zostane jej hodnota konštantná, ak je systém izolovaný.

- Ďalším príkladom zvyšujúcej sa entropie je rozpúšťanie chloridu sodného vo vode, až kým sa soľ úplne nerozpustí, až do dosiahnutia rovnováhy.

- V tavenine, ktorá sa topí, sa zvyšuje aj entropia, pretože molekuly prechádzajú z usporiadanejšej situácie, ktorá je tuhá, k jednotnejšej ako tekutina.

- Pri niektorých druhoch spontánneho rádioaktívneho rozpadu sa zvyšuje výsledný počet častíc as tým aj entropia systému. V ďalších rozpadoch, v ktorých dochádza k zničeniu častíc, dochádza k transformácii z hmoty na kinetickú energiu, ktorá nakoniec rozptyľuje teplo a zvyšuje sa aj entropia.

Takéto príklady zdôrazňujú skutočnosť, že termodynamická rovnováha je relatívna: systém môže byť v termodynamickej rovnováhe lokálne, napríklad ak sa berie do úvahy systém šálka kávy a čajovej lyžičky.

Systém šálky kávy + lyžice + prostredia však nemusí byť v tepelnej rovnováhe, kým nebude káva úplne vychladnutá.

Referencie

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pre techniku ​​a vedu. Zväzok 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamika. Vydanie 7 ^ma . McGraw Hill. 15-25 a 332-334.
3. Termodynamika. Získané z: ugr.es.
4. Národná univerzita v Rosario. Fyzikálno-chemický I. Získané z: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropia a druhý termodynamický zákon v časticiach a jadrových interakciách. Štátna univerzita v San Jose. Získané z: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodynamická rovnováha. Obnovené z: en.wikipedia.org.