TERMODYNAMISK LIGEVÆGT: KLASSER OG ANVENDELSER - FYSISK - 2025

Den termodynamiske balance i et isoleret system defineres som en balancetilstand, hvor variablerne, der karakteriserer det, og som kan måles eller beregnes, ikke gennemgår ændringer, da der på grund af dets isolering ikke er nogen eksterne kræfter, der har tendens til at ændre denne tilstand..

Både systemer og ligevægtsklasser, der skal overvejes, er meget forskellige. Et system kan være en celle, en iskold drink, et fly fuldt af passagerer, en person eller et stykke maskiner for blot at nævne nogle få eksempler. De kan også isoleres, lukkes eller åbne, afhængigt af om de kan udveksle energi og stof med deres omgivelser.

Komponenterne i cocktail er i termisk ligevægt. Kilde: Pexels.

Et isoleret system interagerer ikke med miljøet, intet kommer ind eller forlader det. Et lukket system kan udveksle energi, men ikke noget med det omgivende miljø. Endelig er det åbne system frit at udveksle med miljøet.

Nå, et isoleret system, der får lov til at udvikle sig længe nok, har en tendens til spontan til termodynamisk ligevægt, hvor dens variabler vil beholde deres værdi på ubestemt tid. Og når det er et åbent system, skal dets værdier være de samme som miljøets.

Dette opnås, så længe alle ligevægtsbetingelserne, der pålægges af hver enkelt type, er opfyldt.

Balance klasser

Termisk ligevægt

En slags grundlæggende ligevægt er termisk ligevægt, der er til stede i mange hverdagssituationer, såsom en varm kop kaffe og den ske, som sukkeret omrøres med.

Et sådant system har spontant en tendens til at opnå den samme temperatur efter et bestemt tidsrum, hvorefter ligevægten ankommer, da alle dele er ved den samme temperatur.

Som det sker, er der en temperaturforskel, der driver varmeveksling i hele systemet. Hvert system har en tid til at opnå termisk ligevægt og nå samme temperatur på alle punkter, kaldet afslapningstid.

Mekanisk balance

Når trykket på alle punkter i et system er konstant, er det i mekanisk ligevægt.

Kemisk balance

Kemisk ligevægt, også undertiden kaldet materiel ligevægt, nås, når den kemiske sammensætning af et system forbliver uændret over tid.

Generelt betragtes et system i termodynamisk ligevægt, når det er i termisk og mekanisk ligevægt samtidigt.

Termodynamiske variabler og tilstandsligning

Variablerne, der undersøges for at analysere den termodynamiske ligevægt i et system, er forskellige, hvor det mest anvendte er tryk, volumen, masse og temperatur. Andre variabler inkluderer position, hastighed og andre, hvis valg afhænger af det undersøgte system.

Som angivelse af koordinaterne for et punkt gør det således muligt at kende dets nøjagtige placering, ved at kende de termodynamiske variabler entydigt bestemmer et systems tilstand. Når systemet er i ligevægt, tilfredsstiller disse variabler et forhold, der er kendt som tilstandsligningen.

Tilstandsligningen er en funktion af de termodynamiske variabler, hvis generelle form er:

Hvor P er tryk, er V volumen, og T er temperatur. Tilstandsligningen kunne naturligvis udtrykkes i form af andre variabler, men som sagt før er disse de variabler, der er mest brugt til at karakterisere termodynamiske systemer.

En af de bedst kendte tilstandsligninger er den for de ideelle gasser PV = nRT. Her er n antallet af mol, atomer eller molekyler, og R er Boltzmanns konstant: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodynamisk ligevægt og termodynamikens nullov

Antag, at vi har to termodynamiske systemer A og B med et termometer, som vi vil kalde T, som sættes i kontakt med system A længe nok til, at A og T når den samme temperatur. I et sådant tilfælde kan det sikres, at A og T er i termisk ligevægt.

Ved hjælp af et termometer verificeres termodynamikens nullov. Kilde: Pexels.

Den samme procedure gentages derefter med system B og T. Hvis temperaturen på B viser sig at være den samme som for A, er A og B i termisk ligevægt. Dette resultat er kendt som nuloven eller nulprincippet for termodynamik, der formelt er angivet som følger:

Og ud fra dette princip konkluderes følgende:

Derfor kan to legemer i termisk kontakt, som ikke er ved den samme temperatur, ikke betragtes i termodynamisk ligevægt.

Entropi og termodynamisk ligevægt

Hvad der driver et system til at opnå termisk ligevægt er entropi, en størrelse, der angiver, hvor tæt systemet er på ligevægt, hvilket angiver dets tilstand af forstyrrelse. Jo mere forstyrrelse, desto mere entropi er der, det modsatte forekommer, hvis et system er meget ordnet, i dette tilfælde falder entropien.

Tilstanden for termisk ligevægt er netop staten med maksimal entropi, hvilket betyder, at ethvert isoleret system går spontant mod en tilstand af større forstyrrelse.

Nu styres overførslen af ​​termisk energi i systemet af ændringen i dens entropi. Lad S være entropien, og lad os med det græske bogstav "delta" betegne ændringen i den: ΔS. Ændringen, der tager systemet fra en starttilstand til en endelig tilstand, defineres som:

Denne ligning er kun gyldig for reversible processer. Process, hvor systemet fuldt ud kan vende tilbage til dets begyndelsesbetingelser og er i termodynamisk ligevægt på hvert punkt undervejs.

Eksempler på systemer med stigende entropi

- Ved overførsel af varme fra et varmere legeme til et koldere stiger entropien, indtil temperaturen på begge dele er den samme, hvorefter dens værdi forbliver konstant, hvis systemet isoleres.

- Et andet eksempel på stigende entropi er opløsningen af ​​natriumchlorid i vand, indtil det når ligevægt, så snart saltet er helt opløst.

- I et fast stof, der smelter, øges entropien også, da molekylerne bevæger sig fra en mere ordnet situation, som er et fast stof, til en mere forstyrret en som en væske.

- I nogle typer spontant radioaktivt henfald øges det resulterende antal partikler og med det systemets entropi. I andre forfald, hvor partikeludslettelse finder sted, sker der en transformation fra masse til kinetisk energi, der til sidst spreder varme, og entropien øges også.

Sådanne eksempler fremhæver det faktum, at termodynamisk ligevægt er relativ: et system kan være i termodynamisk ligevægt lokalt, for eksempel hvis koppen kaffe + teskefuld system overvejes.

Imidlertid er kaffekoppen + skeen + miljøsystemet muligvis ikke i termisk ligevægt, før kaffen er helt afkølet.

Referencer

1. Bauer, W. 2011. Fysik til ingeniørvidenskab og videnskaber. Bind 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamik. 7 ^ma udgave. McGraw Hill. 15-25 og 332-334.
3. Termodynamik. Gendannes fra: ugr.es.
4. National University of Rosario. Fysisk-kemisk I. Genvundet fra: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy og den anden lov om termodynamik i partikel- og nukleare interaktioner. San Jose State University. Gendannes fra: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodynamisk ligevægt. Gendannet fra: en.wikipedia.org.