ТЕРМОДИНАМІЧНА РІВНОВАГА: КЛАСИ ТА ДОДАТКИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Термодинамічної рівноваги ізольованої системи визначається як стан рівноваги , в яких змінні , які характеризують його і які можуть бути виміряні або розраховані не зазнають змін, враховуючи , що з - за його ізоляції , не існує ніяких зовнішніх сил , які мають тенденцію змінювати цей стан. .

І системи, і класи рівноваги, які слід розглядати, дуже різноманітні. Система може бути клітиною, крижаним напоєм, літаком, повним пасажирів, людиною або машиною, щоб назвати лише кілька прикладів. Вони також можуть бути ізольованими, закритими або відкритими, залежно від того, чи можуть вони обмінюватися енергією та матерією зі своїм оточенням.

Компоненти коктейлю знаходяться в тепловій рівновазі. Джерело: Пікселі.

Ізольована система не взаємодіє з навколишнім середовищем, нічого не входить і не залишає. Закрита система може обмінюватися енергією, але не має значення з навколишнім середовищем. Нарешті, відкрита система вільна здійснювати обмін з оточенням.

Ну, ізольована система, якій можна розвиватися досить довго, спонтанно прагне до термодинамічної рівноваги, в якій її змінні зберігатимуть своє значення нескінченно довго. І коли це відкрита система, її значення повинні бути такими ж, як у навколишнього середовища.

Це буде досягнуто до тих пір, поки всі умови рівноваги, накладені кожним конкретним типом, будуть виконані.

Класи балансу

Теплова рівновага

Одним із видів фундаментальної рівноваги є теплова рівновага, яка присутня у багатьох повсякденних ситуаціях, таких як чашка гарячої кави та ложка, з якою перемішується цукор.

Така система мимовільно має тенденцію набувати однакової температури через певний час, після чого настає рівновага, оскільки всі частини знаходяться в одній температурі.

Як це відбувається, є різниця температур, яка керує обміном теплом у всій системі. Кожна система має час досягти теплової рівноваги і досягти однакової температури у всіх точках, званої часом релаксації.

Механічний баланс

Коли тиск у всіх точках системи є постійним, він знаходиться в механічній рівновазі.

Хімічний баланс

Хімічна рівновага, яку також іноді називають матеріальною рівновагою, досягається тоді, коли хімічний склад системи з часом залишається незмінним.

Взагалі система розглядається в термодинамічній рівновазі, коли вона знаходиться в тепловій і механічній рівновазі одночасно.

Термодинамічні змінні та рівняння стану

Змінні, які вивчаються для аналізу термодинамічної рівноваги системи, різноманітні, найчастіше використовуються тиск, об'єм, маса та температура. Інші змінні включають положення, швидкість та інші, вибір яких залежить від досліджуваної системи.

Таким чином, вказівка ​​координат точки дає змогу дізнатися її точне розташування, знаючи, що термодинамічні змінні однозначно визначають стан системи. Як тільки система перебуває в рівновазі, ці змінні задовольняють співвідношення, відоме як рівняння стану.

Рівняння стану є функцією термодинамічних змінних, загальною формою яких є:

Де P - тиск, V - об'єм, а T - температура. Природно, рівняння стану можна виразити у вигляді інших змінних, але, як було сказано раніше, це ті змінні, які найбільш часто використовуються для характеристики термодинамічних систем.

Одним з найвідоміших рівнянь стану є ідеальні гази PV = nRT. Тут n - кількість молей, атомів чи молекул, R - константа Больцмана: 1,30 х 10 ^-23 Дж / К (Джоуль / Кельвін).

Термодинамічна рівновага та нульовий закон термодинаміки

Припустимо, у нас є дві термодинамічні системи A і B з термометром, який ми будемо називати T, який знаходиться в контакті з системою A, достатньо довго, щоб A і T досягли тієї ж температури. У такому випадку можна переконатися, що А і Т перебувають у тепловій рівновазі.

За допомогою термометра перевіряється нульовий закон термодинаміки. Джерело: Пікселі.

Потім цю ж процедуру повторюють із системою B і T. Якщо температура B виявиться такою ж, як у A, то A і B знаходяться в тепловій рівновазі. Цей результат відомий як нульовий закон або нульовий принцип термодинаміки, який формально викладений так:

І з цього принципу робиться висновок:

Тому два тіла в тепловому контакті, які не мають однакової температури, не можуть бути розглянуті в термодинамічній рівновазі.

Ентропія та термодинамічна рівновага

Що рухає систему для досягнення теплової рівноваги - це ентропія, величина, яка вказує на наближення системи до рівноваги, що свідчить про її стан розладу. Чим більше розладів, тим більше ентропії відбувається, навпаки, якщо система дуже впорядкована, в цьому випадку ентропія зменшується.

Стан теплової рівноваги - це саме стан максимальної ентропії, що означає, що будь-яка ізольована система стихійно йде у стан більшого розладу.

Тепер передача теплової енергії в системі регулюється зміною її ентропії. Нехай S - ентропія, а грецькою літерою "дельта" позначимо зміну в ній: ΔS. Зміна, яка приймає систему від початкового стану до кінцевого, визначається як:

Це рівняння справедливо лише для оборотних процесів. Процес, при якому система може повністю повернутися до початкових умов і знаходиться в термодинамічній рівновазі в кожній точці шляху.

Приклади систем із збільшенням ентропії

- При передачі тепла від більш гарячого тіла до більш холодного ентропія збільшується до тих пір, поки температура обох не буде однаковою, після чого її значення залишається постійним, якщо система ізольована.

- Ще одним прикладом посилення ентропії є розчинення хлориду натрію у воді до досягнення рівноваги, як тільки сіль повністю розчиниться.

- У твердому тілі, яке плавиться, також збільшується ентропія, оскільки молекули переходять із більш упорядкованої ситуації, яка є твердим, до більш невпорядкованої, як рідина.

- У деяких типах спонтанного радіоактивного розпаду утворюється кількість частинок збільшується, а з ним і ентропія системи. В інших розкладах, при яких відбувається знищення частинок, відбувається перетворення від масової до кінетичної енергії, яка з часом розсіює тепло, і ентропія також збільшується.

Такі приклади підкреслюють той факт, що термодинамічна рівновага є відносною: система може перебувати в термодинамічній рівновазі локально, наприклад, якщо розглядати чашку кави + система чайної ложки.

Однак кавова чашка + ложка + система навколишнього середовища може не перебувати в тепловій рівновазі, поки кава повністю не охолоне.

Список літератури

1. Bauer, W. 2011. Фізика для інженерії та наук. Том 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Термодинаміка. Видання 7 ^ма . McGraw Hill. 15-25 та 332-334.
3. Термодинаміка. Відновлено: ugr.es.
4. Національний університет Росаріо. Фізико-хімічний I. Відновлений з: rephip.unr.edu.ar
5. Уоткінс, Т. Ентропія та другий закон термодинаміки взаємодій частинок і ядер. Державний університет Сан-Хосе. Відновлено з: sjsu.edu.
6. Вікіпедія. Термодинамічна рівновага. Відновлено з: en.wikipedia.org.