TERMODYNAMISK LIKEVEKT: KLASSER OG ANVENDELSER - FYSISK - 2026

Den termodynamiske likevekten til et isolert system er definert som en balansetilstand der variablene som kjennetegner det og som kan måles eller beregnes ikke gjennomgår endringer, gitt at det på grunn av sin isolasjon ikke er noen ytre krefter som har en tendens til å modifisere den tilstanden. .

Både systemene og likevektsklassene som skal vurderes er svært forskjellige. Et system kan være en celle, en iskald drink, et fly fullt av passasjerer, en person eller et stykke maskiner, for bare å nevne noen eksempler. De kan også isoleres, lukkes eller åpne, avhengig av om de kan utveksle energi og materie med omgivelsene sine.

Komponentene i cocktailen er i termisk likevekt. Kilde: Pexels.

Et isolert system samhandler ikke med miljøet, ingenting kommer inn eller forlater det. Et lukket system kan utveksle energi, men ikke noe med det omgivende miljøet. Endelig er det åpne systemet gratis å utveksle med miljøet.

Vel, et isolert system som får utvikle seg lenge nok, har en tendens til spontan til termodynamisk likevekt der variablene vil beholde verdien på ubestemt tid. Og når det er et åpent system, må dets verdier være de samme som miljøets.

Dette vil oppnås så lenge alle likevektsbetingelsene som er pålagt av hver spesielle type er oppfylt.

Balansekurs

Termisk likevekt

En slags grunnleggende likevekt er termisk likevekt, som er til stede i mange hverdagslige situasjoner, for eksempel en varm kopp kaffe og skjeen som sukkeret røres sammen med.

Et slikt system har spontant en tendens til å oppnå den samme temperaturen etter en viss tid, hvoretter likevekt ankommer da alle delene har samme temperatur.

Når det skjer, er det en temperaturforskjell som driver varmeveksling i hele systemet. Hvert system har en tid for å oppnå termisk likevekt og nå samme temperatur på alle punkter, kalt avslapningstid.

Mekanisk balanse

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

Kjemisk balanse

Kjemisk likevekt, også noen ganger kalt materiell likevekt, oppnås når den kjemiske sammensetningen av et system forblir uendret over tid.

Generelt vurderes et system i termodynamisk likevekt når det er i termisk og mekanisk likevekt samtidig.

Termodynamiske variabler og tilstandslikning

Variablene som studeres for å analysere den termodynamiske likevekten til et system er forskjellige, og de mest brukte er trykk, volum, masse og temperatur. Andre variabler inkluderer posisjon, hastighet og andre hvis valg avhenger av systemet som studeres.

Som indikasjon på koordinatene til et punkt gjør det derfor mulig å vite dens nøyaktige beliggenhet, ved å kjenne de termodynamiske variablene entydig bestemmer tilstanden til et system. Når systemet er i likevekt, tilfredsstiller disse variablene et forhold kjent som statens ligning.

Tilstandsligningen er en funksjon av de termodynamiske variablene hvis generelle form er:

Der P er trykk, er V volum, og T er temperatur. Naturlig kan likningen av tilstand uttrykkes i form av andre variabler, men som sagt før, er dette variablene som er mest brukt for å karakterisere termodynamiske systemer.

En av de mest kjente tilstandsligningene er den for de ideelle gassene PV = nRT. Her er n antall mol, atomer eller molekyler, og R er Boltzmanns konstant: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodynamisk likevekt og termodynamikkens null lov

Anta at vi har to termodynamiske systemer A og B med et termometer som vi vil kalle T, som blir satt i kontakt med system A lenge nok til at A og T når samme temperatur. I et slikt tilfelle kan det sikres at A og T er i termisk likevekt.

Ved hjelp av et termometer er termodynamikkens null lov bekreftet. Kilde: Pexels.

Den samme prosedyren blir deretter gjentatt med system B og T. Hvis temperaturen på B viser seg å være den samme som for A, er A og B i termisk likevekt. Dette resultatet er kjent som nullloven eller nullprinsippet for termodynamikk, som formelt er angitt som følger:

Og ut fra dette prinsippet konkluderes følgende:

Derfor kan ikke to legemer i termisk kontakt som ikke har samme temperatur vurderes i termodynamisk likevekt.

Entropi og termodynamisk likevekt

Det som driver et system for å oppnå termisk likevekt er entropi, en størrelsesorden som indikerer hvor nær systemet er til likevekt, noe som indikerer dens tilstand av forstyrrelse. Jo mer forstyrrelse, jo mer entropi er det, motsatt oppstår hvis et system er veldig ordnet, i dette tilfellet avtar entropien.

Tilstanden for termisk likevekt er nettopp tilstanden med maksimal entropi, noe som betyr at ethvert isolert system går spontant mot en tilstand av større forstyrrelse.

Nå styres overføringen av termisk energi i systemet av endringen i dens entropi. La S være entropien, og la oss betegne endringen i den med den greske bokstaven "delta": ΔS. Endringen som tar systemet fra en starttilstand til en endelig tilstand er definert som:

Denne ligningen er bare gyldig for reversible prosesser. Prosess der systemet fullt ut kan komme tilbake til de opprinnelige forholdene og er i termodynamisk likevekt på hvert punkt underveis.

Eksempler på systemer med økende entropi

- Ved overføring av varme fra et varmere legeme til et kaldere øker entropien til temperaturen på begge deler er den samme, hvoretter dens verdi forblir konstant hvis systemet er isolert.

- Et annet eksempel på økende entropi er oppløsningen av natriumklorid i vann, til den når likevekt så snart saltet har oppløst seg fullstendig.

- I et faststoff som smelter, øker også entropien, siden molekylene beveger seg fra en mer ordnet situasjon, som er et fast stoff, til en mer forstyrret som en væske.

- I noen typer spontant radioaktivt forfall øker det resulterende antall partikler og med det systemets entropi. I andre forfall der partikkelutslettingen skjer, skjer det transformasjon fra masse til kinetisk energi som til slutt avleder varmen, og entropien øker også.

Slike eksempler belyser det faktum at termodynamisk likevekt er relativ: et system kan være i termodynamisk likevekt lokalt, for eksempel hvis koppen kaffe + teskje-systemet blir vurdert.

Imidlertid kan det hende at kaffekoppen + skjeen + miljøsystemet ikke er i termisk likevekt før kaffen er helt avkjølt.

referanser

1. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørvitenskap og vitenskap. Bind 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamikk. 7 ^ma utgave. McGraw Hill. 15-25 og 332-334.
3. Termodynamikk. Gjenopprettet fra: ugr.es.
4. National University of Rosario. Fysisk-kjemisk I. Gjenopprettet fra: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy and the Second Law of Thermodynamics in Particle and Nuclear Interactions. San Jose State University. Gjenopprettet fra: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodynamisk likevekt. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org.