TERMODINAMIKAI EGYENSÚLY: OSZTÁLYOK ÉS ALKALMAZÁSOK - FIZIKAI - 2026

A termodinamikai egyensúly egy izolált rendszert úgy definiáljuk, mint egy egyensúlyi állapot, amelyben a változók jellemzik, és hogy mérhető vagy kiszámítható nem mennek változások, tekintettel arra, hogy mivel annak izolálása nincsenek külső erők, amelyek hajlamosak arra, hogy módosítsa az állapotban..

A figyelembe veendő rendszerek és az egyensúlyi osztályok egyaránt nagyon változatosak. A rendszer lehet cellák, jéghideg italok, utasokkal teli repülőgépek, személyek vagy gépek, hogy csak néhány példát említsünk. Elkülönülhetnek, zártak vagy nyitottak is, attól függően, hogy képesek-e energiát és anyagot kicserélni a környezetükkel.

A koktél alkotóelemei termikus egyensúlyban vannak. Forrás: Pexels.

Egy elkülönített rendszer nem lép kölcsönhatásba a környezettel, semmi sem lép be, vagy nem hagyja el azt. Egy zárt rendszer képes energiát cserélni, de nem számít a környező környezettel. Végül, a nyílt rendszer szabadon cserélhet a környezettel.

Nos, egy elkülönített rendszer, amelynek hagyják, hogy elég hosszú ideig fejlődjön, spontán módon hajlamos a termodinamikai egyensúlyra, amelyben változói megőrzik értéküket határozatlan ideig. És ha ez egy nyitott rendszer, akkor annak értékeinek meg kell egyezniük a környezet értékével.

Ezt addig lehet elérni, amíg az egyes típusok által előírt egyensúlyi feltételek teljesülnek.

Egyensúly osztályok

Termikus egyensúly

Az egyik alapvető egyensúly a termikus egyensúly, amely sok mindennapi helyzetben fennáll, például egy forró kávéscsésze és egy kanál, amellyel a cukrot keverik.

Egy ilyen rendszer spontán módon hajlamos egy bizonyos idő elteltével ugyanazt a hőmérsékletet elérni, amely után az egyensúly megérkezik, mivel az összes alkatrész azonos hőmérsékleten van.

Amint ez megtörténik, van egy hőmérsékleti különbség, amely a hőcserét vezérli az egész rendszerben. Minden rendszernek van ideje elérni a termikus egyensúlyt, és elérni ugyanazt a hőmérsékletet minden pontban, amelyet relaxációs időnek hívnak.

Mechanikai egyensúly

Ha a nyomás a rendszer minden pontján állandó, akkor mechanikai egyensúlyban van.

Kémiai egyensúly

A kémiai egyensúly, amelyet néha anyagi egyensúlynak is neveznek, akkor érhető el, amikor a rendszer kémiai összetétele változatlan marad.

Általában a rendszert a termodinamikai egyensúlyban veszik figyelembe, amikor egyidejűleg a termikus és a mechanikus egyensúlyban van.

Termodinamikai változók és az állapot egyenlete

A rendszer termodinamikai egyensúlyának elemzésére vizsgált változók sokrétűek, amelyek közül a leggyakrabban a nyomást, a térfogatot, a tömeget és a hőmérsékletet használják. Egyéb változók közé tartozik a helyzet, a sebesség és mások, amelyek kiválasztása a vizsgált rendszertől függ.

Tehát, mivel egy pont koordinátáinak feltüntetése lehetővé teszi annak pontos helyének megismerését, a termodinamikai változók ismerete egyértelműen meghatározza a rendszer állapotát. Miután a rendszer egyensúlyban van, ezek a változók megfelelnek az állapot egyenletének ismert kapcsolatnak.

Az állapot egyenlete a termodinamikai változók függvénye, amelyek általános alakja:

Ahol P nyomás, V térfogat és T hőmérséklet. Az állapot egyenletét természetesen más változókkal is kifejezhetjük, de mint korábban már említettük, ezeket a változókat használják a termodinamikai rendszerek jellemzésére leginkább.

Az állam egyik legismertebb egyenlete az ideális gázok PV = nRT. Itt n a molok, atomok vagy molekulák száma és R jelentése Boltzmann állandó: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodinamikai egyensúly és a termodinamika nulla törvénye

Tegyük fel, hogy van két A és B termodinamikai rendszerünk egy hőmérővel, amelyet T-nek hívunk, és amely elég hosszú ideig érintkezésbe kerül az A rendszerrel, hogy A és T elérje ugyanazt a hőmérsékletet. Ebben az esetben biztosítható, hogy A és T termikus egyensúlyban vannak.

Hőmérő segítségével ellenőrizhető a termodinamika nulla törvénye. Forrás: Pexels.

Ugyanezt az eljárást megismételjük a B és a T rendszerrel. Ha B hőmérséklete azonosnak bizonyul, mint A hőmérséklete, akkor A és B hőmérsékleti egyensúlyban vannak. Ez az eredmény a termodinamika nulla törvénye vagy nulla alapelve, amelyet formálisan a következőképpen fogalmaznak meg:

És ezen elv alapján az alábbiakat vonjuk le:

Ezért a termodinamikai egyensúlyban nem lehet figyelembe venni két olyan hőteljesítményű testet, amelyek nem azonos hőmérsékleten vannak.

Entrópia és termodinamikai egyensúly

Az, ami a rendszert a termikus egyensúly eléréséhez vezet, az entrópia, egy olyan nagyságrend, amely jelzi, hogy a rendszer milyen közel áll az egyensúlyhoz, jelezve annak rendellenességét. Minél több rendellenesség, annál több az entrópia, éppen ellenkezőleg fordul elő, ha egy rendszer rendben van, ebben az esetben az entrópia csökken.

A termikus egyensúly állapota pontosan a maximális entrópia állapota, ami azt jelenti, hogy minden izolált rendszer spontán módon megy tovább a nagyobb rendellenesség felé.

A hőenergia továbbítását a rendszerben entrópiájának változása szabályozza. Legyen S az entrópia, és jelöljük görög "delta" betűvel a változást: ΔS. A változást, amely a rendszert egy kezdeti állapotból egy végső állapotba hozza, a következőképpen határozza meg:

Ez az egyenlet csak reverzibilis folyamatokra érvényes. Az a folyamat, amelynek során a rendszer teljes mértékben visszatérhet az eredeti állapotához, és termodinamikai egyensúlyban van az út minden pontján.

Példák a növekvő entrópiával rendelkező rendszerekre

- A hő átadásakor a forró testből a hidegebb testbe az entrópia addig nő, amíg a hőmérséklet megegyezik, ezután az értéke állandó marad, ha a rendszert elkülönítik.

- Az entrópia növekvő példája a nátrium-klorid vízben történő feloldása mindaddig, amíg az egyensúly el nem érkezik, amint a só teljesen feloldódik.

- Egy olvadó szilárd anyagban az entrópia szintén növekszik, mivel a molekulák a rendezettebb helyzetről, amely szilárd anyag, folyadékként egy rendezetlenebbre mozog.

- A spontán radioaktív bomlás bizonyos típusainál a kapott részecskék száma növekszik, és ezzel együtt a rendszer entrópiája. Más rétegekben, amelyek során a részecske elpusztul, a tömegből kinetikai energiává alakul át, amely végül eloszlatja a hőt, és az entrópia szintén növekszik.

Ezek a példák rávilágítanak arra a tényre, hogy a termodinamikai egyensúly relatív: egy rendszer lehet termodinamikai egyensúlyban lokálisan, például ha egy csésze kávé + teáskanál rendszert veszünk figyelembe.

Előfordulhat azonban, hogy a kávéscsésze + kanál + környezeti rendszer nincs hőegyensúlyban, amíg a kávé teljesen ki nem hűl.

Irodalom

1. Bauer, W. 2011. Fizika a mérnöki és tudományos munkához. 1. kötet. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma Edition. McGraw Hill. 15-25 és 332-334.
3. Termodinamika. Helyreállítva: ugr.es.
4. Rosario Nemzeti Egyetem. Fizikai-kémiai I. Helyrehozva: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropia és a termodinamika második törvénye a részecske és a nukleáris kölcsönhatásokban. San Jose Állami Egyetem. Helyreállítva: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodinamikai egyensúly. Helyreállítva: en.wikipedia.org.