TERMODYNAMISK JÄMVIKT: KLASSER OCH TILLÄMPNINGAR - FYSISK - 2025

Den termodynamiska jämvikten i ett isolerat system definieras som ett balansstillstånd där variablerna som karakteriserar det och som kan mätas eller beräknas inte genomgår förändringar, eftersom det på grund av dess isolering inte finns några yttre krafter som tenderar att modifiera det tillståndet. .

Både systemen och jämviktsklasserna som ska beaktas är mycket olika. Ett system kan vara en cell, en iskald dryck, ett flygplan fullt av passagerare, en person eller ett maskineri för att bara nämna några exempel. De kan också isoleras, stängas eller öppna, beroende på om de kan utbyta energi och materia med sin omgivning eller inte.

Delarna av cocktail är i termisk jämvikt. Källa: Pexels.

Ett isolerat system interagerar inte med miljön, ingenting kommer in eller lämnar det. Ett stängt system kan utbyta energi men spelar ingen roll med omgivningen. Slutligen är det öppna systemet fritt att göra utbyten med miljön.

Tja, ett isolerat system som får utvecklas tillräckligt länge, tenderar spontant till termodynamisk jämvikt där dess variabler behåller sitt värde på obestämd tid. Och när det är ett öppet system måste dess värden vara desamma som miljön.

Detta kommer att uppnås så länge alla jämviktsvillkor som införts av varje speciell typ är uppfyllda.

Balansklasser

Termisk jämvikt

En typ av grundläggande jämvikt är termisk jämvikt, som finns i många vardagliga situationer, till exempel en varm kopp kaffe och den sked som sockret rörs om.

Ett sådant system tenderar spontant att erhålla samma temperatur efter en viss tid, varefter jämvikt anländer eftersom alla delar har samma temperatur.

Eftersom det händer finns det en temperaturskillnad som driver värmeväxling genom hela systemet. Varje system har en tid att uppnå termisk jämvikt och nå samma temperatur vid alla punkter, kallad avkopplingstid.

Mekanisk balans

När trycket på alla punkter i ett system är konstant är det i mekanisk jämvikt.

Kemisk balans

Kemisk jämvikt, även ibland kallad materialjämvikt, uppnås när den kemiska sammansättningen i ett system förblir oförändrad över tid.

I allmänhet betraktas ett system i termodynamisk jämvikt när det är i termisk och mekanisk jämvikt samtidigt.

Termodynamiska variabler och tillståndsekvation

Variablerna som studeras för att analysera den termodynamiska jämvikten i ett system är olika, de vanligaste är tryck, volym, massa och temperatur. Andra variabler inkluderar position, hastighet och andra vars val beror på systemet som studeras.

Såsom att indikera koordinaterna för en punkt gör det möjligt att veta dess exakta placering, att veta om de termodynamiska variablerna bestämmer entydigt ett systems tillstånd. När systemet väl är i jämvikt uppfyller dessa variabler ett förhållande som kallas tillståndets ekvation.

Tillståndsekvationen är en funktion av de termodynamiska variabler vars allmänna form är:

Där P är tryck, är V volym och T är temperatur. Naturligtvis kan tillståndsekvationen uttryckas i termer av andra variabler, men som tidigare nämnts är dessa variabler som mest används för att karakterisera termodynamiska system.

En av de mest kända tillståndsekvationerna är den för de ideala gaserna PV = nRT. Här är antalet mol, atomer eller molekyler och R är Boltzmanns konstant: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodynamisk jämvikt och termodynamikens nollag

Anta att vi har två termodynamiska system A och B med en termometer som vi kommer att kalla T, som sätts i kontakt med system A tillräckligt länge för att A och T ska nå samma temperatur. I ett sådant fall kan det säkerställas att A och T är i termisk jämvikt.

Med hjälp av en termometer verifieras termodynamikens nollag. Källa: Pexels.

Samma procedur upprepas sedan med system B och T. Om temperaturen på B visar sig vara densamma som för A, är A och B i termisk jämvikt. Detta resultat är känt som nollagen eller nollprincipen för termodynamik, som formellt anges på följande sätt:

Och från denna princip dras följande:

Därför kan två kroppar i termisk kontakt som inte har samma temperatur inte beaktas i termodynamisk jämvikt.

Entropi och termodynamisk jämvikt

Det som driver ett system för att uppnå termisk jämvikt är entropi, en magnitude som indikerar hur nära systemet är till jämvikt, vilket är en indikation på dess störningstillstånd. Ju mer störning, desto mer entropi finns det, tvärtom inträffar om ett system är mycket ordnat, i detta fall minskar entropin.

Tillståndet för termisk jämvikt är exakt tillståndet för maximal entropi, vilket innebär att alla isolerade system går spontant mot ett tillstånd av större störning.

Nu styrs överföringen av termisk energi i systemet av förändringen i dess entropi. Låt S vara entropin och låt oss beteckna förändringen i den med den grekiska bokstaven "delta": ΔS. Förändringen som tar systemet från ett initialt till ett slutligt tillstånd definieras som:

Denna ekvation gäller endast för reversibla processer. Process där systemet helt kan återgå till sina initiala förhållanden och är i termodynamisk jämvikt vid varje punkt längs vägen.

Exempel på system med ökande entropi

- Vid överföring av värme från en varmare kropp till en kallare, ökar entropin tills temperaturen på båda är densamma, varefter dess värde förblir konstant om systemet isoleras.

- Ett annat exempel på ökad entropi är upplösningen av natriumklorid i vatten tills den når jämvikt så snart saltet har upplösts fullständigt.

- I ett fast ämne som smälter ökar entropin också, eftersom molekylerna rör sig från en mer ordnad situation, som är en fast substans, till en mer störd som en vätska.

- I vissa typer av spontant radioaktivt sönderfall ökar det resulterande antalet partiklar och därmed systemets entropi. I andra sönderfall där partikelförstöring sker sker en omvandling från massa till kinetisk energi som så småningom sprider värme, och entropin ökar också.

Sådana exempel belyser det faktum att termodynamisk jämvikt är relativ: ett system kan vara i termodynamisk jämvikt lokalt, till exempel om koppen kaffe + teskedan beaktas.

Emellertid kanske kaffekoppen + sked + miljösystemet inte är i termisk jämvikt förrän kaffet har helt svalnat.

referenser

1. Bauer, W. 2011. Fysik för teknik och vetenskap. Volym 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamik. 7 ^ma upplagan. McGraw Hill. 15-25 och 332-334.
3. Termodynamik. Återställd från: ugr.es.
4. National University of Rosario. Fysikokemisk I. Återställd från: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy and the Second Law of Thermodynamics in Particle and Nuclear Interactions. San Jose State University. Återställd från: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodynamisk jämvikt. Återställd från: en.wikipedia.org.