ТЕРМОДИНАМИЧНО РАВНОВЕСИЕ: КЛАСОВЕ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В термодинамично равновесие на изолирана система се определя като състояние на равновесие, в които променливите, които го характеризират и че могат да бъдат измерени или изчислени не търпят промени, предвид факта, че благодарение на своята изолация няма никакви външни сили, които са склонни да се промени това състояние.,

Както системите, така и класовете на равновесие, които трябва да бъдат разгледани, са много разнообразни. Системата може да бъде клетка, ледена напитка, самолет, пълен с пътници, човек или част от техниката, за да назовем само няколко примера. Те също могат да бъдат изолирани, затворени или отворени, в зависимост от това дали могат да обменят енергия и материя със своето обкръжение.

Компонентите на коктейла са в термично равновесие. Източник: Pexels

Изолираната система не взаимодейства с околната среда, нищо не влиза или не я напуска. Затворена система може да обменя енергия, но няма значение със заобикалящата среда. И накрая, отворената система е свободна да извършва обмен с околната среда.

Е, изолирана система, на която е позволено да се развива достатъчно дълго, има тенденция спонтанно към термодинамично равновесие, в което променливите й ще запазят стойността си за неопределено време. И когато тя е отворена система, нейните стойности трябва да са същите като тези на околната среда.

Това ще бъде постигнато, докато са изпълнени всички условия на равновесие, наложени от всеки конкретен тип.

Балансови класове

Топлинно равновесие

Един вид фундаментално равновесие е топлинното равновесие, което присъства в много ежедневни ситуации, като гореща чаша кафе и лъжица, с която се разбърква захарта.

Такава система спонтанно има тенденция да придобие една и съща температура след определено време, след което пристига равновесие, тъй като всички части са с една и съща температура.

Тъй като това се случва, има температурна разлика, която задвижва топлообмена в цялата система. Всяка система има време да постигне топлинно равновесие и да достигне една и съща температура във всички точки, наречена време за релаксация.

Механичен баланс

Когато налягането във всички точки на системата е постоянно, то е в механично равновесие.

Химичен баланс

Химическото равновесие, наричано също понякога материално равновесие, се постига, когато химическият състав на една система остава непроменен във времето.

По принцип една система се разглежда в термодинамично равновесие, когато е в термично и механично равновесие едновременно.

Термодинамични променливи и уравнение на състоянието

Променливите, които се изучават за анализ на термодинамичното равновесие на една система, са различни, като най-често се използват налягане, обем, маса и температура. Други променливи включват позиция, скорост и други, чийто избор зависи от изследваната система.

По този начин, като посочване на координатите на дадена точка дава възможност да се знае точното й местоположение, като се знае, че термодинамичните променливи недвусмислено определя състоянието на една система. След като системата е в равновесие, тези променливи удовлетворяват връзка, известна като уравнение на състоянието.

Уравнението на състоянието е функция на термодинамичните променливи, чиято обща форма е:

Където P е налягане, V е обем, а T е температура. Естествено уравнението на състоянието може да се изрази по отношение на други променливи, но както беше казано по-рано, това са променливите, които се използват най-много за характеризиране на термодинамични системи.

Едно от най-известните уравнения на състоянието е това на идеалните газове PV = nRT. Тук n е броят на молите, атомите или молекулите и R е константата на Болцман: 1.30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Термодинамично равновесие и нулев закон на термодинамиката

Да предположим, че имаме две термодинамични системи A и B с термометър, който ще наречем T, който е поставен в контакт със система A достатъчно дълго, че A и T да достигнат същата температура. В такъв случай може да се гарантира, че А и Т са в термично равновесие.

С помощта на термометър се проверява нулевият закон на термодинамиката. Източник: Pexels

След това същата процедура се повтаря със система B и T. Ако температурата на B се окаже същата като тази на A, тогава A и B са в термично равновесие. Този резултат е известен като нулев закон или нулев принцип на термодинамиката, който официално се посочва, както следва:

И от този принцип се заключава следното:

Следователно две тела в термичен контакт, които не са с еднаква температура, не могат да бъдат разглеждани в термодинамично равновесие.

Ентропия и термодинамично равновесие

Това, което задвижва системата за постигане на топлинно равновесие, е ентропия, величина, която показва колко близо е системата до равновесие, което показва нейното състояние на разстройство. Колкото повече разстройство, толкова повече ентропия има, точно обратното се случва, ако системата е много подредена, в този случай ентропията намалява.

Състоянието на топлинно равновесие е именно състоянието на максимална ентропия, което означава, че всяка изолирана система стига спонтанно към състояние на по-голямо разстройство.

Сега преносът на топлинна енергия в системата се управлява от промяната в нейната ентропия. Нека S е ентропията и нека означим с гръцката буква "делта" промяната в нея: ΔS. Промяната, която отвежда системата от първоначално състояние в крайно състояние, се определя като:

Това уравнение е валидно само за обратими процеси. Процес, при който системата може напълно да се върне към първоначалните си условия и е в термодинамично равновесие във всяка точка по пътя.

Примери за системи с нарастваща ентропия

- При прехвърлянето на топлина от по-горещо тяло към по-студено, ентропията се увеличава, докато температурата и на двете не е еднаква, след което стойността й остава постоянна, ако системата е изолирана.

- Друг пример за увеличаване на ентропията е разтварянето на натриев хлорид във вода, докато достигне равновесие, веднага щом солта се разтвори напълно.

- В твърдо вещество, което се стопява, ентропията също се увеличава, тъй като молекулите се движат от по-подредена ситуация, която е твърда, към по-неуредична като течност.

- При някои видове спонтанен радиоактивен разпад, полученият брой частици се увеличава, а с него и ентропията на системата. При други разлагания, при които се случва унищожаване на частици, има трансформация от маса в кинетична енергия, която в крайна сметка разсейва топлината, а ентропията също се увеличава.

Такива примери подчертават факта, че термодинамичното равновесие е относително: една система може да бъде локално в термодинамично равновесие, например, ако се има предвид чашата с кафе + чаена лъжичка.

Въпреки това, чашата за кафе + лъжица + околната среда може да не е в термично равновесие, докато кафето напълно не се охлади.

Препратки

1. Bauer, W. 2011. Физика за инженерство и науки. Том 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Термодинамика. 7 ^ma издание. McGraw Hill. 15-25 и 332-334.
3. Термодинамиката. Възстановени от: ugr.es.
4. Национален университет в Росарио. Физикохимичен I. Възстановен от: rephip.unr.edu.ar
5. Уоткинс, Т. Ентропия и вторият закон на термодинамиката при взаимодействието на частиците и ядрата. Държавен университет Сан Хосе. Възстановено от: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Термодинамично равновесие. Възстановено от: en.wikipedia.org.