TERMODYNAMICKÁ ROVNOVÁHA: TŘÍDY A APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Termodynamická rovnováha izolovaného systému je definována jako stav rovnováhy, ve kterém proměnné, které jej charakterizují, a které mohou být naměřené nebo vypočtené neprocházejí změny, vzhledem k tomu, že vzhledem k jeho izolaci neexistují žádné vnější síly, které mají tendenci ke změně tohoto stavu..

Jak systémy, tak třídy rovnováhy, které je třeba brát v úvahu, jsou velmi rozmanité. Systém může být buňka, ledový nápoj, letadlo plné cestujících, člověk nebo kus strojního zařízení, abychom jmenovali jen několik příkladů. Mohou být také izolované, uzavřené nebo otevřené, v závislosti na tom, zda si mohou vyměňovat energii a hmotu se svým okolím.

Složky koktejlu jsou v tepelné rovnováze. Zdroj: Pexels.

Izolovaný systém nereaguje s prostředím, nic nevstoupí ani neopustí. Uzavřený systém může vyměňovat energii, ale nezáleží na okolním prostředí. A konečně, otevřený systém může provádět výměny s prostředím.

Izolovaný systém, který se nechá dostatečně dlouho vyvíjet, má sklon spontánně k termodynamické rovnováze, ve které si jeho proměnné uchová svou hodnotu po neurčitou dobu. A když se jedná o otevřený systém, musí být jeho hodnoty stejné jako hodnoty prostředí.

Toho bude dosaženo, pokud budou splněny všechny rovnovážné podmínky uložené jednotlivými typy.

Bilanční třídy

Tepelná rovnováha

Jedním druhem základní rovnováhy je tepelná rovnováha, která je přítomna v mnoha každodenních situacích, jako je horký šálek kávy a lžíce, se kterou se cukr míchá.

Takový systém spontánně inklinuje získat stejnou teplotu po určité době, po které nastane rovnováha, protože všechny části jsou na stejné teplotě.

V takovém případě dochází k teplotnímu rozdílu, který řídí výměnu tepla v celém systému. Každý systém má čas k dosažení tepelné rovnováhy a dosažení stejné teploty ve všech bodech, nazývané relaxační doba.

Mechanické vyvážení

Když je tlak ve všech bodech systému konstantní, je v mechanické rovnováze.

Chemická rovnováha

Chemické rovnováhy, také někdy nazývané materiální rovnováhy, je dosaženo, když chemické složení systému zůstává v průběhu času nezměněno.

Obecně je systém považován za termodynamickou rovnováhu, pokud je současně v tepelné a mechanické rovnováze.

Termodynamické proměnné a stavová rovnice

Proměnné, které jsou studovány pro analýzu termodynamické rovnováhy systému, jsou rozmanité, nejčastěji používané jsou tlak, objem, hmotnost a teplota. Mezi další proměnné patří poloha, rychlost a další, jejichž výběr závisí na studovaném systému.

Tedy, jak indikuje souřadnice bodu umožňuje znát jeho přesné umístění, znát termodynamické proměnné jednoznačně určuje stav systému. Jakmile je systém v rovnováze, splňují tyto proměnné vztah známý jako stavová rovnice.

Rovnice stavu je funkcí termodynamických proměnných, jejichž obecná podoba je:

Kde P je tlak, V je objem a T je teplota. Rovnice stavu by přirozeně mohla být vyjádřena pomocí jiných proměnných, ale jak již bylo řečeno, jedná se o proměnné nejpoužívanější pro charakterizaci termodynamických systémů.

Jednou z nejznámějších stavových rovnic je ideální plyn PV = nRT. Zde n je počet molů, atomů nebo molekul a R je Boltzmannova konstanta: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodynamická rovnováha a nulový zákon termodynamiky

Předpokládejme, že máme dva termodynamické systémy A a B s teploměrem, které nazýváme T, který je uveden do styku se systémem A dostatečně dlouho, aby A a T dosáhly stejné teploty. V takovém případě může být zajištěno, že A a T jsou v tepelné rovnováze.

Pomocí teploměru se ověřuje nulový zákon termodynamiky. Zdroj: Pexels.

Stejný postup se pak opakuje se systémy B a T. Pokud se ukáže, že teplota B je stejná jako u A, jsou A a B v tepelné rovnováze. Tento výsledek je známý jako nulový zákon nebo nulový princip termodynamiky, který je formálně uveden takto:

Z tohoto principu se vyvozuje následující:

Proto dvě tělesa v tepelném kontaktu, která nejsou na stejné teplotě, nemohou být považována za termodynamickou rovnováhu.

Entropie a termodynamická rovnováha

To, co řídí systém k dosažení tepelné rovnováhy, je entropie, velikost, která ukazuje, jak blízko je systém k rovnováze, což naznačuje jeho stav poruchy. Čím více poruch, tím více entropie existuje, právě naopak, pokud je systém velmi uspořádán, v tomto případě entropie klesá.

Stav tepelné rovnováhy je přesně stavem maximální entropie, což znamená, že jakýkoli izolovaný systém jde spontánně do stavu větší poruchy.

Přenos tepelné energie v systému je nyní řízen změnou jeho entropie. Buď S entropie a označme řeckým písmenem „delta“ změnu v ní: ΔS. Změna, která přebírá systém z počátečního do konečného stavu, je definována jako:

Tato rovnice platí pouze pro reverzibilní procesy. Proces, ve kterém se systém může plně vrátit ke svým původním podmínkám a je v termodynamické rovnováze v každém bodě cesty.

Příklady systémů s rostoucí entropií

- Při přenosu tepla z teplejšího tělesa do chladnějšího entropie stoupá entropie, dokud není teplota obou stejná, a poté zůstane její hodnota konstantní, pokud je systém izolován.

- Dalším příkladem zvyšující se entropie je rozpouštění chloridu sodného ve vodě až do dosažení rovnováhy, jakmile se sůl zcela rozpustí.

- V pevné látce, která se taví, se entropie také zvyšuje, protože molekuly se pohybují z uspořádanější situace, která je pevná, k více disordered jako kapalina.

- U některých typů spontánního radioaktivního rozpadu se zvyšuje výsledný počet částic as tím entropie systému. V jiných rozpadech, ve kterých dochází k ničení částic, dochází k přeměně z hmoty na kinetickou energii, která nakonec rozptyluje teplo a zvyšuje se také entropie.

Takové příklady zdůrazňují skutečnost, že termodynamická rovnováha je relativní: systém může být v termodynamické rovnováze lokálně, například pokud se vezme v úvahu šálek kávy + čajová lžička.

Systém šálku kávy + lžíce + prostředí však nemusí být v tepelné rovnováze, dokud nebude káva zcela ochlazena.

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pro strojírenství a vědy. Svazek 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamika. Vydání 7 ^ma. McGraw Hill. 15-25 a 332-334.
3. Termodynamika. Obnoveno z: ugr.es.
4. Národní univerzita v Rosariu. Fyzikálně-chemický I. Získán z: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropie a druhý zákon termodynamiky v částicových a jaderných interakcích. San Jose State University. Obnoveno z: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodynamická rovnováha. Obnoveno z: en.wikipedia.org.