ТЕРМОДИНАМИЧКА РАВНОТЕЖА: КЛАСЕ И АПЛИКАЦИЈЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Равнотежно стање изолованог система дефинисан као стање равнотеже у којој променљиве које га карактеришу и који могу да се мере или израчунати не подвргава промене, с обзиром да се због своје изолације постоје спољне силе које теже да модификује то стање. .

Системи и класе равнотеже које треба размотрити су веома разнолике. Систем може бити ћелија, ледено хладно пиће, авион пун путника, особа или машина, да набројимо само неколико примера. Такође могу бити изоловани, затворени или отворени, зависно од тога да ли могу да размењују енергију и материју са околином или не.

Компоненте коктела налазе се у термичкој равнотежи. Извор: Пекелс.

Изоловани систем не ступа у интеракцију са околином, ништа не улази или напушта. Затворени систем може да размењује енергију, али није важно са окружењем. Коначно, отворени систем је слободан да врши размену са околином.

Па, изоловани систем коме је дозвољено да се развија довољно дуго, спонтано тежи ка термодинамичкој равнотежи у којој ће његове променљиве задржати своју вредност у недоглед. А кад је отворен систем, његове вредности морају бити исте као и вредности животне средине.

То ће се постићи све док су испуњени сви равнотежни услови које поставља свака одређена врста.

Класе равнотеже

Топлотна равнотежа

Једна врста темељне равнотеже је термичка равнотежа која је присутна у многим свакодневним ситуацијама, попут шоље вруће кафе и кашике с којом се меша шећер.

Такав систем спонтано тежи да добије исте температуре након одређеног времена, након чега дође равнотежа јер су сви делови на истој температури.

Како се то догађа, постоји разлика у температури која покреће размену топлоте у целом систему. Сваки систем има времена да постигне топлотну равнотежу и да достигне исту температуру у свим тачкама, која се назива време опуштања.

Механичка равнотежа

Када је притисак у свим тачкама система константан, то је у механичкој равнотежи.

Хемијска равнотежа

Хемијска равнотежа, која се понекад назива и материјална равнотежа, постиже се када хемијски састав система с временом остане непромењен.

Генерално, систем се разматра у термодинамичкој равнотежи када је у топлотној и механичкој равнотежи истовремено.

Термодинамичке променљиве и једначина стања

Променљиве варијабле које се проучавају како би се анализирала термодинамичка равнотежа система су различите, а најчешће се користе притисак, запремина, маса и температура. Остале променљиве укључују положај, брзину и друге чији избор зависи од система који се проучава.

Према томе, навођење координата неке тачке омогућава сазнање њене тачне локације, знајући да термодинамичке променљиве недвосмислено одређују стање система. Једном када је систем у равнотежи, ове променљиве задовољавају однос познат као једначина стања.

Једнаџба стања је функција термодинамичких варијабли чији је општи облик:

Где је П притисак, В је запремина, а Т је температура. Наравно, једначина стања може се изразити и другим варијаблама, али као што је речено, то су променљиве које се највише користе за карактеризацију термодинамичких система.

Једна од најпознатијих једначина стања је она идеалних гасова ПВ = нРТ. Овде је н број молова, атома или молекула и Р је Болтзманнова константа: 1,30 к 10 ^-23 Ј / К (Јоуле / Келвин).

Термодинамичка равнотежа и нулта закон Термодинамике

Претпоставимо да имамо два термодинамичка система А и Б са термометром који ћемо назвати Т, који је у контакту са системом А довољно дугим да А и Т достигну исту температуру. У таквом случају може се осигурати да су А и Т у термичкој равнотежи.

Помоћу термометра верификује се нулта закон термодинамике. Извор: Пекелс.

Исти поступак се затим понавља са системима Б и Т. Ако се покаже да је температура Б иста као и температура А, тада су А и Б у топлотној равнотежи. Овај резултат је познат као нулти закон или нулти принцип термодинамике, који је формално наведен на следећи начин:

И из овог принципа се закључује следеће:

Стога се два тела у топлотном контакту која нису на истој температури не могу разматрати у термодинамичкој равнотежи.

Ентропија и термодинамичка равнотежа

Оно што покреће систем да постигне топлотну равнотежу је ентропија, јачина која показује колико је систем близу равнотеже, што указује на његово стање поремећаја. Што је више поремећаја, то је више ентропије, управо је супротно ако је систем веома сређен, у овом случају се ентропија смањује.

Стање топлотне равнотеже је управо стање максималне ентропије, што значи да било који изоловани систем иде спонтано у стање већег поремећаја.

Сада је пренос топлотне енергије у систему регулисан променом његове ентропије. Нека је С ентропија, а грчким словом „делта“ означимо промену у њој: ΔС. Промјена која систем преузима из почетног стања у коначно стање дефинирана је као:

Ова једначина важи само за реверзибилне процесе. Процес у којем се систем може у потпуности вратити на почетна стања и у термодинамичкој је равнотежи у свакој тачки пута.

Примери система са повећаном ентропијом

- При преносу топлоте са топлијег тела на хладније, ентропија се повећава док температура оба не буде иста, након чега његова вредност остаје константна ако је систем изолован.

- Други пример повећања ентропије је растварање натријум-хлорида у води, све док се достигне равнотежа чим се сол потпуно растопи.

- У тврдоћи која се топи, ентропија се такође повећава, јер се молекули крећу из уређеније ситуације, која је чврста, у неуреднију као течност.

- Код неких врста спонтаног радиоактивног распада, резултирајући број честица се повећава, а са њом и ентропија система. У другим распадима у којима долази до уништавања честица, долази до трансформације из масе у кинетичку енергију која на крају расипа топлоту, а ентропија такође расте.

Овакви примери наглашавају чињеницу да је термодинамичка равнотежа релативна: систем може бити у термодинамичкој равнотежи локално, на пример ако се узме у обзир шоља кафе + систем кашике.

Међутим, кафе + кашика + систем околине можда није у топлотној равнотежи док се кафа потпуно не охлади.

Референце

1. Бауер, В. 2011. Физика за инжењерство и науке. Свезак 1. Мц Грав Хилл. 650-672.
2. Ценгел, И. 2012. Термодинамика. 7 ^ма Едитион. МцГрав Хилл. 15-25 и 332-334.
3. Термодинамика. Опоравак од: угр.ес.
4. Национални универзитет у Росарију. Физикално-хемијска И. Опоравак од: репхип.унр.еду.ар
5. Ваткинс, Т. Ентропи и други закон термодинамике у интеракцијама честица и нуклеарних извора. Универзитет Сан Хозе. Опоравак од: сјсу.еду.
6. Википедиа. Термодинамичка равнотежа. Опоравак од: ен.википедиа.орг.