TERMODINAMIČKA RAVNOTEŽA: KLASE I PRIMJENE - FIZIČKA - 2024

Termodinamička ravnoteža jednog izoliranog sustava je definirana kao stanje ravnoteže u kojem su varijable koje ga karakteriziraju i koji se mogu mjeriti ili izračunati da ne budu podvrgnuti promjenama, s obzirom da je zbog svoje izolacije ne postoje vanjske sile koje imaju tendenciju da se mijenjati to stanje.,

Sustavi i klase ravnoteže koje treba razmotriti vrlo su raznolike. Sustav može biti ćelija, ledeno hladno piće, avion pun putnika, osoba ili stroj, samo nekoliko primjera. Oni također mogu biti izolirani, zatvoreni ili otvoreni, ovisno o tome mogu li ili ne razmjenjivati ​​energiju i materiju sa okolinom.

Komponente koktela nalaze se u toplinskoj ravnoteži. Izvor: Pexels.

Izolirani sustav ne djeluje na okoliš, ništa ne ulazi niti napušta. Zatvoreni sustav može razmjenjivati ​​energiju, ali nije važno s okolinom. Konačno, otvoreni sustav može slobodno razmjenjivati ​​s okolinom.

Pa, izolirani sustav kojem je dopušteno da se razvija dovoljno dugo, ima tendenciju spontano do termodinamičke ravnoteže u kojoj će njegove varijable zadržati svoju vrijednost u nedogled. A kad je otvoren sustav, njegove vrijednosti moraju biti iste kao i one iz okoline.

To će se postići sve dok su ispunjeni svi ravnotežni uvjeti koje postavlja svaka određena vrsta.

Klase ravnoteže

Toplinska ravnoteža

Jedna vrsta temeljne ravnoteže je toplinska ravnoteža koja je prisutna u mnogim svakodnevnim situacijama, poput vruće šalice kave i žlice kojom se miješa šećer.

Takav sustav spontano teži dobivanju iste temperature nakon određenog vremena, nakon čega dolazi do ravnoteže jer su svi dijelovi na istoj temperaturi.

Kako se to događa, postoji razlika u temperaturi koja pokreće izmjenu topline u cijelom sustavu. Svaki sustav ima vremena za postizanje toplinske ravnoteže i postizanje iste temperature u svim točkama, koja se naziva vremenom opuštanja.

Mehanička ravnoteža

Kad je tlak u svim točkama sustava konstantan, tada je u mehaničkoj ravnoteži.

Kemijska ravnoteža

Kemijska ravnoteža, koja se ponekad naziva i materijalna ravnoteža, postiže se kada kemijski sastav sustava s vremenom ostane nepromijenjen.

Općenito, sustav se razmatra u termodinamičkoj ravnoteži kada je u toplinskoj i mehaničkoj ravnoteži istovremeno.

Termodinamičke varijable i jednadžba stanja

Varijable koje se proučavaju kako bi se analizirala termodinamička ravnoteža sustava su različite, a najčešće se koriste tlak, volumen, masa i temperatura. Ostale varijable uključuju položaj, brzinu i druge čiji izbor ovisi o ispitivanom sustavu.

Prema tome, navođenje koordinata točke omogućuje saznanje njezinog točnog položaja, znajući da termodinamičke varijable nedvosmisleno određuju stanje sustava. Jednom kada je sustav u ravnoteži, ove varijable zadovoljavaju odnos poznat kao jednadžba stanja.

Jednadžba stanja je funkcija termodinamičkih varijabli čiji je opći oblik:

Tamo gdje je P tlak, V je volumen, a T je temperatura. Jednadžba stanja može se, naravno, izraziti i drugim varijablama, ali kao što je rečeno, to su varijable koje se najviše koriste za karakterizaciju termodinamičkih sustava.

Jedna od najpoznatijih jednadžbi stanja je ona idealnih plinova PV = nRT. Ovdje je n broj mola, atoma ili molekula, a R je Boltzmannova konstanta: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodinamička ravnoteža i nulta zakon Termodinamike

Pretpostavimo da imamo dva termodinamička sustava A i B s termometrom koji ćemo nazvati T, koji je stavljen u kontakt sa sustavom A dovoljno dug da A i T dostignu istu temperaturu. U takvom se slučaju može osigurati da su A i T u toplinskoj ravnoteži.

Pomoću termometra provjerava se nulta zakon termodinamike. Izvor: Pexels.

Isti postupak se zatim ponavlja sa sustavom B i T. Ako se pokaže da je temperatura B ista kao i temperatura A, tada su A i B u toplinskoj ravnoteži. Taj je rezultat poznat pod nazivom nulta zakona ili nulta načela termodinamike, što je formalno navedeno na sljedeći način:

Iz ovog se načela zaključuje sljedeće:

Stoga se dva tijela u toplinskom kontaktu koja nisu iste temperature ne mogu razmatrati u termodinamičkoj ravnoteži.

Entropija i termodinamička ravnoteža

Ono što pokreće sustav da postigne toplinsku ravnotežu je entropija, jačina koja pokazuje koliko je sustav blizu ravnoteže, što ukazuje na njegovo stanje poremećaja. Što je više poremećaja, više je entropije, upravo se događa suprotno ako je sustav vrlo uređen, u ovom se slučaju entropija smanjuje.

Stanje toplinske ravnoteže upravo je stanje maksimalne entropije, što znači da svaki izolirani sustav spontano ide prema stanju većeg poremećaja.

Prijenos toplinske energije u sustavu regulira promjena entropije. Neka je S entropija, a grčkim slovom „delta“ označimo promjenu u njoj: ΔS. Promjena koja sustav prelazi iz početnog u krajnje stanje definira se kao:

Ova jednadžba vrijedi samo za reverzibilne procese. Proces u kojem se sustav može u potpunosti vratiti u početne uvjete i u termodinamičkoj je ravnoteži u svakoj točki puta.

Primjeri sustava s povećanom entropijom

- Pri prijenosu topline s toplijeg tijela na hladnije, entropija se povećava dok temperatura oba ne bude ista, nakon čega njegova vrijednost ostaje konstantna ako je sustav izoliran.

- Drugi primjer povećanja entropije je otapanje natrijevog klorida u vodi do postizanja ravnoteže čim se sol potpuno otopi.

- U krutini koja se topi, entropija se također povećava, jer se molekule kreću iz uređenije situacije, koja je kruta, u neuredniju kao tekućina.

- Kod nekih vrsta spontanog raspada radioaktivnih čestica povećava se broj čestica, a s njim i entropija sustava. U drugim raspadima u kojima dolazi do uništavanja čestica, dolazi do transformacije iz mase u kinetičku energiju koja na kraju rasipa toplinu, a entropija se također povećava.

Takvi primjeri naglašavaju činjenicu da je termodinamička ravnoteža relativna: sustav može biti u termodinamičkoj ravnoteži lokalno, na primjer, ako se razmatra šalica kave + sustav žličica.

Međutim, šalica kave + žlica + okolišni sustav možda neće biti u toplinskoj ravnoteži dok se kava potpuno ne ohladi.

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženjerstvo i znanosti. Svezak 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma izdanje. McGraw Hill. 15-25 i 332-334.
3. Termodinamika. Oporavak od: ugr.es.
4. Nacionalno sveučilište Rosario. Fizikalno-kemijska I. Oporavak od: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropija i drugi zakon termodinamike u interakcijama čestica i nuklearno. Državno sveučilište San Jose. Oporavak od: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodinamička ravnoteža. Oporavilo sa: en.wikipedia.org.