TERMODINAMINĖ PUSIAUSVYRA: KLASĖS IR TAIKYMO BŪDAI - FIZINIS - 2025

Termodinaminė pusiausvyra ir izoliuotoje sistemoje apibrėžiamas kaip balanso, kurioje kintamieji, kurie apibūdina ją ir kad gali būti išmatuotas ar apskaičiuotas neatliekamos jokios pakeitimus valstybės, atsižvelgiant į tai, kad dėl jo izoliacijos nėra išorinių jėgų, kurios linkusios keisti toje valstybėje. .

Tiek sistemos, tiek pusiausvyros klasės, į kurias reikia atsižvelgti, yra labai skirtingos. Sistema gali būti kamera, ledinis gėrimas, lėktuvas, kuriame pilna keleivių, asmuo ar mašina, jei norite paminėti tik keletą pavyzdžių. Jie taip pat gali būti izoliuoti, uždari arba atviri, atsižvelgiant į tai, ar jie gali apsikeisti energija ir medžiagomis su aplinka.

Kokteilio komponentai yra šiluminėje pusiausvyroje. Šaltinis: Pexels.

Izoliuota sistema nesąveikauja su aplinka, niekas neįeina ir neišeina iš jos. Uždara sistema gali keistis energija, bet nesvarbi su supančia aplinka. Galiausiai, atvira sistema gali laisvai keistis aplinka.

Na, izoliuota sistema, kuriai leidžiama vystytis pakankamai ilgai, savaime linkusi į termodinaminę pusiausvyrą, kurioje jos kintamieji išlaikys savo vertę neribotą laiką. O kai tai atvira sistema, jos vertybės turi būti tokios pačios kaip ir aplinkos.

Tai bus pasiekta tol, kol bus įvykdytos visos pusiausvyros sąlygos, kurias nustato kiekvienas konkretus tipas.

Balanso klasės

Šiluminė pusiausvyra

Viena iš pagrindinių pusiausvyros rūšių yra šiluminė pusiausvyra, egzistuojanti daugelyje kasdienių situacijų, pavyzdžiui, karštas kavos puodelis ir šaukštas, su kuriuo maišomas cukrus.

Tokia sistema spontaniškai linkusi įgyti tą pačią temperatūrą po tam tikro laiko, po kurios ateina pusiausvyra, nes visos dalys yra toje pačioje temperatūroje.

Kai tai atsitiks, egzistuoja temperatūrų skirtumas, kuris skatina šilumos mainus visoje sistemoje. Kiekviena sistema turi laiko pasiekti pusiausvyrą ir pasiekti ta pačią temperatūrą visuose taškuose, vadinamą atsipalaidavimo laiku.

Mechaninė pusiausvyra

Kai slėgis visuose sistemos taškuose yra pastovus, jis yra mechaninėje pusiausvyroje.

Cheminė pusiausvyra

Cheminė pusiausvyra, dar kartais vadinama medžiagų pusiausvyra, pasiekiama, kai sistemos cheminė sudėtis laikui bėgant nesikeičia.

Apskritai, termodinaminėje pusiausvyroje sistema laikoma tuo pačiu metu esant šiluminei ir mechaninei pusiausvyrai.

Termodinaminiai kintamieji ir būsenos lygtis

Kintamieji, kurie tiriami norint įvertinti sistemos termodinaminę pusiausvyrą, yra įvairūs, dažniausiai naudojami slėgis, tūris, masė ir temperatūra. Kiti kintamieji apima padėtį, greitį ir kitus, kurių pasirinkimas priklauso nuo tiriamos sistemos.

Taigi, nurodant taško koordinates, galima sužinoti tikslią jo vietą, žinant termodinaminius kintamuosius nedviprasmiškai nustatoma sistemos būsena. Kai sistema yra pusiausvyroje, šie kintamieji patenkina santykį, vadinamą būsenos lygtimi.

Būsenos lygtis yra termodinaminių kintamųjų, kurių bendra forma yra:

Kur P yra slėgis, V yra tūris, o T yra temperatūra. Natūralu, kad būsenos lygtis gali būti išreikšta kitais kintamaisiais, tačiau, kaip minėta anksčiau, tai yra kintamieji, kurie dažniausiai naudojami apibūdinti termodinamines sistemas.

Viena iš geriausiai žinomų būsenų lygčių yra idealiųjų dujų PV = nRT. N yra molių, atomų ar molekulių skaičius, o R yra Boltzmanno konstanta: 1,30 x 10 ^–23 J / K (džaulis / kelvinas).

Termodinaminė pusiausvyra ir nulinis termodinamikos dėsnis

Tarkime, kad turime dvi termodinamines sistemas A ir B su termometru, kurį mes vadinsime T, kuris liečiamas su sistema A pakankamai ilgai, kad A ir T pasiektų tą pačią temperatūrą. Tokiu atveju galima įsitikinti, kad A ir T yra šiluminėje pusiausvyroje.

Termometro pagalba patikrinamas nulinis termodinamikos dėsnis. Šaltinis: Pexels.

Tada B ir T. sistemomis pakartojama ta pati procedūra. Jei paaiškėja, kad B temperatūra yra tokia pati kaip A, tada A ir B yra šiluminėje pusiausvyroje. Šis rezultatas yra žinomas kaip nulio dėsnis arba nulis termodinamikos principų, kurie oficialiai išdėstomi taip:

Iš šio principo daroma išvada:

Todėl termodinaminėje pusiausvyroje negali būti laikomi du kūno temperatūros sąlytyje esantys kūnai, kurių temperatūra nėra vienoda.

Entropija ir termodinaminė pusiausvyra

Kas skatina sistemą pasiekti šiluminę pusiausvyrą, yra entropija, dydis, kuris parodo, kokia artima sistema pusiausvyrai, rodo jos sutrikimo būseną. Kuo daugiau sutrikimų, tuo daugiau entropijos, priešingai, jei sistema labai tvarkinga, tuo atveju entropija mažėja.

Šiluminės pusiausvyros būsena yra būtent maksimalios entropijos būsena, tai reiškia, kad bet kuri izoliuota sistema spontaniškai eina į didesnio sutrikimo būseną.

Dabar šiluminės energijos perdavimą sistemoje reguliuoja jos entropijos pokytis. Tegul S yra entropija ir graikų raide „delta“ pažymėkime jos pokytį: ΔS. Pokytis, kuris sistemą perkelia iš pradinės būsenos į galutinę būseną, yra apibrėžiamas kaip:

Ši lygtis galioja tik grįžtamiesiems procesams. Procesas, kurio metu sistema gali visiškai grįžti į pradines sąlygas ir yra termodinaminėje pusiausvyroje kiekviename kelio taške.

Didėjančios entropijos sistemų pavyzdžiai

- Perduodant šilumą iš šiltesnio kūno į šaltesnį, entropija didėja, kol abiejų temperatūra nesutampa, po to jos vertė išlieka pastovi, jei sistema izoliuojama.

- Kitas didėjančios entropijos pavyzdys yra natrio chlorido tirpinimas vandenyje, kol pusiausvyra pasiekiama, kai tik druska visiškai ištirpsta.

- Tirpstančioje kietoje medžiagoje entropija taip pat didėja, nes molekulės juda iš tvarkingesnės situacijos, kuri yra kieta, į labiau netvarkingą kaip skystis.

- Kai kuriuose savaiminio radioaktyviojo skilimo tipuose didėja dalelių skaičius, o kartu ir sistemos entropija. Kituose suirimo metu, kai dalelės sunaikinamos, vyksta masės transformacija į kinetinę energiją, kuri ilgainiui išsklaido šilumą, padidėja ir entropija.

Tokie pavyzdžiai pabrėžia faktą, kad termodinaminė pusiausvyra yra santykinė: sistema gali būti termodinaminėje pusiausvyroje vietoje, pavyzdžiui, jei atsižvelgiama į kavos puodelį ir arbatinį šaukštelį.

Tačiau kavos puodelis + šaukštas + aplinkos sistema gali būti ne iki pusiausvyros, kol kava visiškai neatvės.

Nuorodos

1. Bauer, W. 2011. Fizika inžinerijai ir mokslams. 1 tomas. Mc Graw Hill. 650–672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma leidimas. McGraw Hill. 15-25 ir 332-334.
3. Termodinamika. Atkurta iš: ugr.es.
4. Nacionalinis Rosario universitetas. Fizikocheminiai I. Atgauta iš: rephip.unr.edu.ar
5. Watkinsas, T. Entropija ir antrasis dalelių ir branduolio sąveikos termodinamikos dėsnis. San Chosė valstijos universitetas. Atgauta iš: sjsu.edu.
6. Vikipedija. Termodinaminė pusiausvyra. Atkurta iš: en.wikipedia.org.