ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ: КЛАССЫ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Термодинамического равновесия изолированной системы определяется как состояние равновесия , в которых переменные , которые характеризуют его и которые могут быть измерены или рассчитанные не претерпевают изменений, учитывая , что из - за его изоляции , не существует никаких внешних сил , которые имеют тенденцию изменять это состояние. ,

И рассматриваемые системы, и классы равновесия очень разнообразны. Система может представлять собой камеру, ледяной напиток, самолет, полный пассажиров, человека или часть механизма, и это лишь несколько примеров. Они также могут быть изолированными, закрытыми или открытыми, в зависимости от того, могут ли они обмениваться энергией и веществом со своим окружением.

Компоненты коктейля находятся в тепловом равновесии. Источник: Pexels.

Изолированная система не взаимодействует с окружающей средой, ничего не входит и не выходит из нее. Замкнутая система может обмениваться энергией, но не веществом, с окружающей средой. Наконец, открытая система может свободно обмениваться данными с окружающей средой.

Что ж, изолированная система, которой позволяют развиваться достаточно долго, самопроизвольно стремится к термодинамическому равновесию, в котором ее переменные будут сохранять свое значение неопределенно долго. А когда это открытая система, ее ценности должны быть такими же, как и ценности окружающей среды.

Это будет достигаться, пока выполняются все условия равновесия, налагаемые каждым конкретным типом.

Классы баланса

Тепловое равновесие

Одним из видов фундаментального равновесия является тепловое равновесие, которое присутствует во многих повседневных ситуациях, таких как чашка горячего кофе и ложка, с помощью которой перемешивается сахар.

Такая система самопроизвольно имеет тенденцию к достижению одинаковой температуры через определенное время, после чего наступает равновесие, поскольку все части имеют одинаковую температуру.

При этом возникает разница температур, которая стимулирует теплообмен во всей системе. У каждой системы есть время для достижения теплового равновесия и достижения одной и той же температуры во всех точках, называемое временем релаксации.

Механический баланс

Когда давление во всех точках системы постоянно, она находится в механическом равновесии.

Химический баланс

Химическое равновесие, также иногда называемое материальным равновесием, достигается, когда химический состав системы остается неизменным с течением времени.

В общем, считается, что система находится в термодинамическом равновесии, когда она находится в тепловом и механическом равновесии одновременно.

Термодинамические переменные и уравнение состояния

Переменные, которые изучаются для анализа термодинамического равновесия системы, разнообразны, наиболее часто используемыми являются давление, объем, масса и температура. Другие переменные включают положение, скорость и другие, выбор которых зависит от исследуемой системы.

Таким образом, указание координат точки позволяет узнать ее точное местоположение, а знание термодинамических переменных однозначно определяет состояние системы. Когда система находится в равновесии, эти переменные удовлетворяют соотношению, известному как уравнение состояния.

Уравнение состояния является функцией термодинамических переменных, общая форма которых такова:

Где P - давление, V - объем, а T - температура. Естественно, уравнение состояния может быть выражено с помощью других переменных, но, как было сказано ранее, это переменные, наиболее часто используемые для характеристики термодинамических систем.

Одно из наиболее известных уравнений состояния - это уравнение идеального газа PV = nRT. Здесь n - число молей, атомов или молекул, а R - постоянная Больцмана: 1,30 x 10 ^-23 Дж / К (Джоуль / Кельвин).

Термодинамическое равновесие и нулевой закон термодинамики

Предположим, у нас есть две термодинамические системы A и B с термометром, который мы назовем T, который контактирует с системой A достаточно долго, чтобы A и T достигли одинаковой температуры. В таком случае можно гарантировать, что А и Т находятся в тепловом равновесии.

С помощью термометра проверяется нулевой закон термодинамики. Источник: Pexels.

Затем ту же процедуру повторяют с системами B и T. Если температура B оказывается такой же, как у A, то A и B находятся в тепловом равновесии. Этот результат известен как нулевой закон или нулевой принцип термодинамики, который формально сформулирован следующим образом:

И из этого принципа делается следующий вывод:

Следовательно, два тела в тепловом контакте, температура которых не одинакова, не могут считаться термодинамическими равновесными.

Энтропия и термодинамическое равновесие

Что движет системой к достижению теплового равновесия, так это энтропия, величина, которая указывает, насколько близка система к равновесию, и указывает на ее состояние беспорядка. Чем больше беспорядка, тем больше энтропия, как раз наоборот, если система очень упорядочена, в этом случае энтропия уменьшается.

Состояние теплового равновесия - это как раз состояние максимальной энтропии, что означает, что любая изолированная система самопроизвольно переходит в состояние большего беспорядка.

Теперь передача тепловой энергии в системе определяется изменением ее энтропии. Пусть S будет энтропией, и обозначим ее изменение греческой буквой «дельта»: ΔS. Изменение, которое переводит систему из начального состояния в конечное, определяется как:

Это уравнение справедливо только для обратимых процессов. Процесс, при котором система может полностью вернуться к своим начальным условиям и находится в термодинамическом равновесии в каждой точке пути.

Примеры систем с возрастающей энтропией

- При передаче тепла от более горячего тела к более холодному энтропия увеличивается до тех пор, пока температура обоих не станет одинаковой, после чего ее значение остается постоянным, если система изолирована.

- Другой пример увеличения энтропии - растворение хлорида натрия в воде до достижения равновесия, как только соль полностью растворяется.

- В твердом веществе, которое плавится, энтропия также увеличивается, поскольку молекулы переходят из более упорядоченного положения, которое представляет собой твердое тело, в более неупорядоченное положение в виде жидкости.

- При некоторых типах спонтанного радиоактивного распада результирующее количество частиц увеличивается, а вместе с ним и энтропия системы. В других распадах, в которых происходит аннигиляция частиц, происходит преобразование массы в кинетическую энергию, которая в конечном итоге рассеивает тепло, и энтропия также увеличивается.

Такие примеры подчеркивают тот факт, что термодинамическое равновесие является относительным: система может находиться в термодинамическом равновесии локально, например, если рассматривается система чашка кофе + чайная ложка.

Однако система кофейная чашка + ложка + среда может не находиться в тепловом равновесии, пока кофе полностью не остынет.

Ссылки

1. Бауэр, В. 2011. Физика для инженерии и науки. Том 1. Мак Гроу Хилл. 650-672.
2. Ценгель, Ю. 2012. Термодинамика. Издание 7 ^ma . Макгроу Хилл. 15-25 и 332-334.
3. Термодинамика. Восстановлено с: ugr.es.
4. Национальный университет Росарио. Физико-химический I. Получено с: rephip.unr.edu.ar
5. Уоткинс, Т. Энтропия и второй закон термодинамики при взаимодействии частиц и ядер. Государственный университет Сан-Хосе. Получено с: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Термодинамическое равновесие. Получено с: en.wikipedia.org.