TERMODINAMISKAIS LĪDZSVARS: KLASES UN PIELIETOJUMS - FIZISKĀ - 2025

Termodinamiskā līdzsvara izolēta sistēma ir definēta kā valsts bilanci, kurā mainīgie, kas raksturo to, un ka to var izmērīt vai aprēķināt nav pakļautas izmaiņām, ņemot vērā, ka pateicoties tās izolāciju nav ārēji spēki, kas mēdz mainīt šo stāvokli. .

Gan sistēmas, gan līdzsvara klases, kas jāņem vērā, ir ļoti dažādas. Sistēma var būt šūna, ledusauksts dzēriens, lidmašīna, kas pilna ar pasažieriem, cilvēks vai mašīna, lai nosauktu tikai dažus piemērus. Tās var būt arī izolētas, slēgtas vai atvērtas atkarībā no tā, vai tās var apmainīties ar enerģiju un matēriju ar savu apkārtni.

Kokteiļa sastāvdaļas atrodas termiskā līdzsvarā. Avots: Pexels.

Izolēta sistēma nedarbojas mijiedarbībā ar vidi, nekas tajā neieplūst un neatstājas. Slēgta sistēma var apmainīties ar enerģiju, bet tai nav nozīmes apkārtējā vidē. Visbeidzot, atvērtā sistēma var brīvi veikt apmaiņu ar apkārtējo vidi.

Nu, izolēta sistēma, kurai ļauj attīstīties pietiekami ilgi, spontāni sliecas uz termodinamisko līdzsvaru, kurā mainīgie saglabā savu vērtību bezgalīgi. Un, kad tā ir atvērta sistēma, tās vērtībām jābūt tādām pašām kā vides vērtībām.

Tas tiks sasniegts, kamēr tiks izpildīti visi līdzsvara nosacījumi, ko uzliek katrs konkrētais tips.

Līdzsvara nodarbības

Termiskais līdzsvars

Viens no pamata līdzsvara veidiem ir termiskais līdzsvars, kas pastāv daudzās ikdienas situācijās, piemēram, karstā kafijas tasē un karotē, ar kuru maisa cukuru.

Šāda sistēma spontāni mēdz iegūt tādu pašu temperatūru pēc noteikta laika, pēc kura nonāk līdzsvars, jo visas detaļas ir vienā temperatūrā.

Tā notiek temperatūras starpība, kas visā sistēmā veicina siltuma apmaiņu. Katrai sistēmai ir laiks, lai sasniegtu termisko līdzsvaru un sasniegtu vienādu temperatūru visos punktos, ko sauc par relaksācijas laiku.

Mehāniskais līdzsvars

Kad spiediens visos sistēmas punktos ir nemainīgs, tas atrodas mehāniskā līdzsvarā.

Ķīmiskais līdzsvars

Ķīmiskais līdzsvars, ko dažreiz sauc arī par materiālo līdzsvaru, tiek sasniegts, kad sistēmas ķīmiskais sastāvs laika gaitā paliek nemainīgs.

Parasti sistēmu uzskata par termodinamisko līdzsvaru, kad tā vienlaikus atrodas gan termiskajā, gan mehāniskajā līdzsvarā.

Termodinamiskie mainīgie un stāvokļa vienādojums

Mainīgie lielumi, kas tiek pētīti, lai analizētu sistēmas termodinamisko līdzsvaru, ir dažādi, visbiežāk tos izmanto spiedienam, tilpumam, masai un temperatūrai. Pie citiem mainīgajiem pieder pozīcija, ātrums un citi, kuru izvēle ir atkarīga no pētāmās sistēmas.

Tā kā, norādot punkta koordinātas, ir iespējams uzzināt precīzu tā atrašanās vietu, termodinamisko mainīgo zināšana viennozīmīgi nosaka sistēmas stāvokli. Kad sistēma ir līdzsvarā, šie mainīgie apmierina attiecības, ko sauc par stāvokļa vienādojumu.

Stāvokļa vienādojums ir termodinamisko mainīgo funkcija, kuru vispārējā forma ir:

Kur P ir spiediens, V ir tilpums un T ir temperatūra. Dabiski stāvokļa vienādojumu var izteikt ar citiem mainīgiem lielumiem, bet, kā jau minēts iepriekš, šie ir mainīgie lielumi, kurus visbiežāk izmanto, lai raksturotu termodinamiskās sistēmas.

Viens no pazīstamākajiem stāvokļa vienādojumiem ir ideālo gāzu PV = nRT. Šeit n ir molu, atomu vai molekulu skaits, un R ir Boltzmanna konstante: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Termodinamiskais līdzsvars un nulles termodinamikas likums

Pieņemsim, ka mums ir divas termodinamiskās sistēmas A un B ar termometru, kuru mēs sauksim par T, kas ir kontaktā ar sistēmu A pietiekami ilgi, lai A un T sasniegtu tādu pašu temperatūru. Šādā gadījumā var pārliecināties, ka A un T atrodas siltuma līdzsvarā.

Ar termometra palīdzību tiek pārbaudīts termodinamikas nulles likums. Avots: Pexels.

Pēc tam to pašu procedūru atkārto ar sistēmu B un T. Ja B temperatūra ir tāda pati kā A, tad A un B ir termiskā līdzsvarā. Šis rezultāts ir pazīstams kā nulles likums vai nulles termodinamikas princips, ko formāli nosaka šādi:

No šī principa secina:

Tāpēc termodinamiskajā līdzsvarā nevar uzskatīt divus termiskā kontaktā esošus ķermeņus, kas nav vienā temperatūrā.

Entropija un termodinamiskais līdzsvars

Tas, kas virza sistēmu, lai sasniegtu termisko līdzsvaru, ir entropija, lielums, kas norāda, cik tuvu sistēmai ir līdzsvars, norādot uz tās traucējumiem. Jo vairāk traucējumu, jo vairāk entropijas, tieši pretēji, ja sistēma ir ļoti sakārtota, šajā gadījumā entropija samazinās.

Termiskā līdzsvara stāvoklis precīzi ir maksimālās entropijas stāvoklis, kas nozīmē, ka jebkura izolēta sistēma spontāni iet uz lielāku traucējumu stāvokli.

Tagad siltumenerģijas pārnesi sistēmā regulē izmaiņas tās entropijā. Būsim S entropija un ar grieķu burtu "delta" apzīmēsim izmaiņas tajā: ​​ΔS. Izmaiņas, kas sistēmu pārņem no sākotnējā stāvokļa uz galīgo stāvokli, tiek definētas kā:

Šis vienādojums ir derīgs tikai atgriezeniskiem procesiem. Process, kurā sistēma var pilnībā atgriezties sākotnējos apstākļos un ir termodinamiskā līdzsvarā katrā ceļa posmā.

Sistēmu piemēri ar pieaugošu entropiju

- Pārnesot siltumu no karstāka ķermeņa uz aukstāku, entropija palielinās, līdz abu temperatūra ir vienāda, pēc kuras tā vērtība paliek nemainīga, ja sistēma ir izolēta.

- Vēl viens entropijas pieauguma piemērs ir nātrija hlorīda izšķīšana ūdenī līdz līdzsvara sasniegšanai, tiklīdz sāls ir pilnībā izšķīdis.

- Cietā vielā, kas kūst, palielinās arī entropija, jo molekulas no kārtīgākas situācijas, kas ir cieta viela, pāriet uz nesakārtotāku šķidrumu.

- Dažos spontānas radioaktīvās sabrukšanas veidos palielinās iegūtais daļiņu skaits un līdz ar to arī sistēmas entropija. Citos pagrimumos, kuros notiek daļiņu iznīcināšana, notiek masas pārveidošanās par kinētisko enerģiju, kas galu galā izkliedē siltumu, un palielinās arī entropija.

Šādi piemēri izceļ faktu, ka termodinamiskais līdzsvars ir relatīvs: sistēma var būt termodinamiskā līdzsvarā lokāli, piemēram, ja ņem vērā kafijas tasi + tējkarotes sistēmu.

Tomēr kafijas tasīte + karote + vides sistēma var nebūt termiskā līdzsvarā, kamēr kafija nav pilnībā atdzisusi.

Atsauces

1. Bauers, W. 2011. Fizika inženierzinātnēm un zinātnēm. 1. sējums. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma izdevums. Makgreiva kalns. 15-25 un 332-334.
3. Termodinamika. Atgūts no: ugr.es.
4. Rosario Nacionālā universitāte. Fizikāli ķīmiski I. Atgūts no: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropija un otrais termodinamikas likums daļiņu un kodolu mijiedarbībā. Sanhosē Valsts universitāte. Atgūts no: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodinamiskais līdzsvars. Atgūts no: en.wikipedia.org.