Plik równowaga termodynamiczna systemu izolowanego definiuje się jako stan równowagi, w którym zmienne, które go charakteryzują i które można zmierzyć lub obliczyć, nie ulegają zmianom, ponieważ ze względu na jego izolację nie ma sił zewnętrznych, które mają tendencję do modyfikowania tego stanu.
Zarówno systemy, jak i klasy równowagi, które należy wziąć pod uwagę, są bardzo zróżnicowane. System może być komórką, lodowatym napojem, samolotem pełnym pasażerów, osobą lub maszyną, by wymienić tylko kilka przykładów. Mogą być również izolowane, zamknięte lub otwarte, w zależności od tego, czy mogą wymieniać energię i materię ze swoim otoczeniem..
ZA system izolowany nie wchodzi w interakcję z otoczeniem, nic do niego nie wchodzi ani nie opuszcza. ZA system zamknięty może wymieniać energię, ale nie ma znaczenia z otaczającym go środowiskiem. Wreszcie otwarty system może swobodnie wymieniać się z otoczeniem.
Cóż, izolowany system, któremu pozwala się ewoluować wystarczająco długo, spontanicznie dąży do równowagi termodynamicznej, w której jego zmienne zachowają swoją wartość w nieskończoność. A kiedy jest to system otwarty, jego wartości muszą być takie same, jak wartości środowiska..
Zostanie to osiągnięte pod warunkiem, że wszystkie warunki równowagi narzucone przez każdy poszczególny typ zostaną spełnione..
Indeks artykułów
Jednym z rodzajów równowagi fundamentalnej jest równowaga termiczna; równowaga cieplna, występuje w wielu codziennych sytuacjach, takich jak filiżanka gorącej kawy i łyżeczka, za pomocą której miesza się cukier.
Taki system spontanicznie dąży do osiągnięcia tej samej temperatury po pewnym czasie, po którym następuje równowaga, ponieważ wszystkie części mają tę samą temperaturę..
W takim przypadku istnieje różnica temperatur, która napędza wymianę ciepła w całym systemie. Każdy układ ma czas na osiągnięcie równowagi termicznej i osiągnięcie tej samej temperatury we wszystkich swoich punktach, tzw czas relaksu.
Kiedy ciśnienie we wszystkich punktach systemu jest stałe, znajduje się ono w równowadze mechanicznej.
Plik równowaga chemiczna, czasami nazywany bilans materialny, osiąga się go, gdy skład chemiczny układu pozostaje niezmieniony w czasie.
Ogólnie rzecz biorąc, układ jest rozważany w równowadze termodynamicznej, gdy jednocześnie znajduje się w równowadze termicznej i mechanicznej.
Zmienne badane w celu analizy równowagi termodynamicznej układu są zróżnicowane, a najczęściej używane to ciśnienie, objętość, masa i temperatura. Inne zmienne obejmują pozycję, prędkość i inne, których wybór zależy od badanego systemu..
Tak więc, ponieważ wskazanie współrzędnych punktu umożliwia poznanie jego dokładnego położenia, o tyle znajomość zmiennych termodynamicznych jednoznacznie determinuje stan układu. Gdy system jest w równowadze, zmienne te spełniają relację znaną jako równanie stanu.
Równanie stanu jest funkcją zmiennych termodynamicznych, których ogólna postać jest następująca:
f (P, V, T) = 0
Gdzie P to ciśnienie, V to objętość, a T to temperatura. Oczywiście równanie stanu można wyrazić za pomocą innych zmiennych, ale jak wspomniano wcześniej, są to zmienne najczęściej używane do charakteryzowania układów termodynamicznych..
Jednym z najlepiej znanych równań stanu jest równanie gazów doskonałych PV = nRT. Tutaj n jest liczbą moli, atomów lub cząsteczek i R jest stałą Boltzmanna: 1,30 x 10-2. 3 J / K (dżul / kelwin).
Załóżmy, że mamy dwa układy termodynamiczne A i B z termometrem, który nazwiemy T, który styka się z układem A wystarczająco długo, aby A i T osiągnęły tę samą temperaturę. W takim przypadku można zapewnić, że A i T są w równowadze termicznej.
Tę samą procedurę powtarza się z układem B i T. Jeżeli temperatura B okaże się taka sama jak temperatura A, to A i B są w równowadze termicznej. Wynik ten jest znany jako prawo zera lub zasada zera termodynamiki, która jest formalnie określona w następujący sposób:
Jeśli dwa układy A i B są w równowadze termicznej, każdy niezależnie od trzeciego układu T, to można stwierdzić, że A i B są ze sobą w równowadze termicznej.
I z tej zasady wynika, co następuje:
Układ jest w równowadze termodynamicznej, gdy wszystkie jego części mają tę samą temperaturę.
Dlatego dwa ciała w kontakcie termicznym, które nie mają tej samej temperatury, nie mogą być brane pod uwagę w równowadze termodynamicznej..
To, co napędza system do osiągnięcia równowagi termicznej, to entropia, wielkość, która wskazuje, jak blisko równowagi jest system, wskazując na jego stan nieporządku. Im więcej nieładu, tym większa jest entropia, wręcz przeciwnie, gdy system jest bardzo uporządkowany, w tym przypadku entropia maleje.
Stan równowagi termicznej to właśnie stan maksymalnej entropii, co oznacza, że każdy izolowany system samorzutnie przechodzi w stan większego nieuporządkowania..
Teraz transferem energii cieplnej w układzie rządzi zmiana jego entropii. Niech S będzie entropią i oznaczmy grecką literą „delta” jej zmianę: ΔS. Zmiana, która przenosi system ze stanu początkowego do stanu końcowego, jest definiowana jako:
To równanie jest ważne tylko dla procesów odwracalnych. Proces, w którym system może w pełni powrócić do swoich warunków początkowych iw każdym punkcie równowagi termodynamicznej.
- W przenoszeniu ciepła z cieplejszego ciała do zimniejszego, entropia rośnie, aż temperatura obu jest taka sama, po czym jej wartość pozostaje stała, jeśli układ jest izolowany.
- Innym przykładem rosnącej entropii jest rozpuszczanie chlorku sodu w wodzie, aż do osiągnięcia równowagi, gdy tylko sól całkowicie się rozpuści..
- W ciele stałym, które się topi, entropia również rośnie, ponieważ cząsteczki przechodzą z bardziej uporządkowanej sytuacji, czyli ciała stałego, do bardziej nieuporządkowanego, takiego jak ciecz..
- W niektórych typach spontanicznego rozpadu promieniotwórczego wynikająca z tego liczba cząstek wzrasta, a wraz z nią entropia układu. W innych rozpadach, w których zachodzi anihilacja cząstek, następuje przemiana masy w energię kinetyczną, która ostatecznie rozprasza ciepło, a także wzrasta entropia..
Takie przykłady podkreślają fakt, że równowaga termodynamiczna jest względna: układ może znajdować się w równowadze termodynamicznej lokalnie, na przykład, jeśli weźmie się pod uwagę układ filiżanka kawy + łyżeczka do herbaty..
Jednak kubek do kawy + łyżeczka + system otoczenia mogą nie znajdować się w równowadze termicznej, dopóki kawa nie ostygnie całkowicie..
Jeszcze bez komentarzy