TERMODINAMIČNO RAVNOTEŽJE: RAZREDI IN APLIKACIJE - FIZIČNO - 2025

Termodinamičnega ravnotežja izoliranega sistema je opredeljena kot stanje ravnovesja, kjer so spremenljivke, ki ga označujejo in ki se lahko merijo ali izračunane ne bodo spremenile, saj je zaradi svoje izolacije ni zunanjih sil, ki težijo za spremembo tega stanja. .

Sistemi in razredi ravnotežja, ki jih je treba upoštevati, so zelo raznoliki. Sistem je lahko celica, ledeno hladna pijača, letalo, polno potnikov, oseba ali stroj, če naštejemo le nekaj primerov. Lahko so tudi izolirani, zaprti ali odprti, odvisno od tega, ali lahko z okolico izmenjujejo energijo in materijo.

Sestavni deli koktajla so v toplotnem ravnovesju. Vir: Pexels.

Izolirani sistem ne vpliva na okolje, nič ne vstopi ali zapušča. Zaprti sistem lahko izmenjuje energijo, vendar ni važno z okoliškim okoljem. Končno lahko odprt sistem izmenjuje z okoljem.

No, izolirani sistem, ki se lahko razvija dovolj dolgo, spontano teži k termodinamičnemu ravnovesju, v katerem bodo njegove spremenljivke v nedogled ohranile svojo vrednost. In ko gre za odprt sistem, morajo biti njegove vrednosti enake vrednotam iz okolja.

To bo doseženo, dokler bodo izpolnjeni vsi ravnotežni pogoji, ki jih postavlja posamezna vrsta.

Ravnotežni razredi

Toplotno ravnotežje

Ena vrsta temeljnega ravnotežja je toplotno ravnovesje, ki je prisotno v številnih vsakdanjih situacijah, na primer vročo skodelico kave in žlico, s katero mešamo sladkor.

Tak sistem spontano teži k enaki temperaturi po določenem času, po katerem pride do ravnovesja, saj so vsi deli pri isti temperaturi.

Ko se to zgodi, obstaja temperaturna razlika, ki vodi izmenjavo toplote po celotnem sistemu. Vsak sistem ima čas, da doseže toplotno ravnovesje in doseže enako temperaturo na vseh točkah, ki se imenuje čas sprostitve.

Mehansko ravnovesje

Kadar je tlak v vseh točkah sistema stalen, je v mehanskem ravnovesju.

Kemična bilanca

Kemično ravnotežje, ki ga včasih imenujemo tudi materialno ravnovesje, dosežemo, ko kemična sestava sistema sčasoma ostane nespremenjena.

Na splošno sistem štejemo v termodinamično ravnovesje, kadar je hkrati v toplotnem in mehanskem ravnovesju.

Termodinamične spremenljivke in enačba stanja

Spremenljivke, ki se preučujejo za analizo termodinamičnega ravnovesja sistema, so različne, najpogosteje pa so uporabljeni tlak, volumen, masa in temperatura. Druge spremenljivke vključujejo položaj, hitrost in druge, katerih izbira je odvisna od preiskovanega sistema.

Tako, kot kažejo koordinate točke, je mogoče vedeti njeno točno lokacijo, saj poznavanje termodinamičnih spremenljivk nedvoumno določa stanje sistema. Ko je sistem v ravnovesju, te spremenljivke izpolnjujejo razmerje, znano kot enačba stanja.

Enačba stanja je funkcija termodinamičnih spremenljivk, katerih splošna oblika je:

Kjer je P tlak, V volumen, T pa temperatura. Seveda lahko enačbo stanja izrazimo z drugimi spremenljivkami, vendar kot že rečeno, to so spremenljivke, ki se najpogosteje uporabljajo za označevanje termodinamičnih sistemov.

Ena najbolj znanih enačb stanja je idealna plina PV = nRT. Tu je n število molov, atomov ali molekul in R je Boltzmannova konstanta: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodinamično ravnotežje in ničelni zakon termodinamike

Recimo, da imamo dva termodinamična sistema A in B s termometrom, ki ga imenujemo T, ki je v stiku s sistemom A, dovolj dolgo, da A in T dosežeta enako temperaturo. V takem primeru je mogoče zagotoviti, da sta A in T v toplotnem ravnovesju.

S pomočjo termometra se preveri ničelni zakon termodinamike. Vir: Pexels.

Nato se isti postopek ponovi s sistemoma B in T. Če se temperatura B izkaže za enako kot A, sta A in B v toplotnem ravnovesju. Ta rezultat je znan kot ničelni zakon ali ničelno načelo termodinamike, ki je formalno navedeno na naslednji način:

In iz tega načela se sklene naslednje:

Zato dveh teles v toplotnem stiku, ki nista enaki temperaturi, v termodinamičnem ravnovesju ne moremo obravnavati.

Entropija in termodinamično ravnovesje

Sistem, ki dosega toplotno ravnovesje, je entropija, ki kaže, kako blizu je sistema ravnovesje, kar kaže na njegovo motnjo. Bolj kot je motnja, več je entropije, ravno obratno se zgodi, če je sistem zelo urejen, v tem primeru se entropija zmanjša.

Stanje toplotnega ravnovesja je natančno stanje največje entropije, kar pomeni, da gre vsak izolirani sistem spontano v stanje večje motnje.

Zdaj prenos toplotne energije v sistemu ureja sprememba njegove entropije. Naj bo S entropija in označimo z grško črko "delta" spremembo v njej: ΔS. Sprememba, ki sistem prevzame iz začetnega v končno stanje, je opredeljena kot:

Ta enačba velja samo za reverzibilne procese. Postopek, pri katerem se lahko sistem v celoti vrne v svoje prvotne pogoje in je v termodinamičnem ravnovesju na vsaki točki na poti.

Primeri sistemov z naraščajočo entropijo

- Pri prenosu toplote iz bolj vročega telesa v hladnejše se entropija poveča, dokler temperatura obeh ni enaka, nato pa ostane njegova vrednost konstantna, če je sistem izoliran.

- Drug primer povečanja entropije je raztapljanje natrijevega klorida v vodi, dokler ne dosežemo ravnotežja, takoj ko se sol popolnoma raztopi.

- V trdni snovi, ki se topi, se povečuje tudi entropija, saj se molekule gibljejo iz bolj urejenega položaja, ki je trden, v bolj neurejen kot tekočina.

- Pri nekaterih vrstah spontanega radioaktivnega razpadanja se posledično število delcev poveča in s tem entropija sistema. Pri drugih razpadih, pri katerih pride do uničenja delcev, pride do preobrazbe iz mase v kinetično energijo, ki sčasoma odvaja toploto, povečuje pa se tudi entropija.

Takšni primeri poudarjajo dejstvo, da je termodinamično ravnovesje relativno: sistem je lahko v termodinamičnem ravnovesju lokalno, na primer, če upoštevamo skodelico kave + sistem žličke.

Vendar kavna skodelica + žlica + okoljski sistem morda ni v toplotnem ravnovesju, dokler se kava popolnoma ne ohladi.

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženirstvo in znanosti. Zvezek 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Izdaja 7 ^ma McGraw Hill. 15-25 in 332-334.
3. Termodinamika. Pridobljeno: ugr.es.
4. Nacionalna univerza v Rosariju. Fizikalno-kemijska I. Pridobljeno: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropija in drugi zakon termodinamike pri interakcijah med delci in jedri. Državna univerza San Jose. Pridobljeno: sjsu.edu.
6. Wikipedija. Termodinamično ravnovesje. Pridobljeno: en.wikipedia.org.