The termodynamická rovnováha izolovaného systému je definován jako stav rovnováhy, ve kterém proměnné, které jej charakterizují a které lze měřit nebo vypočítat, neprocházejí změnami, protože kvůli jeho izolaci neexistují žádné vnější síly, které mají tendenci tento stav modifikovat.
Systémy i třídy rovnováhy, které je třeba vzít v úvahu, jsou velmi rozmanité. Systém může být buňka, ledový nápoj, letadlo plné cestujících, osoba nebo strojní zařízení, abychom jmenovali jen několik příkladů. Mohou být také izolované, uzavřené nebo otevřené, podle toho, zda si mohou vyměňovat energii a hmotu se svým prostředím..
A izolovaný systém neinteraguje s prostředím, nic do něj nevstupuje ani neopouští. A systém uzavřen může si vyměňovat energii, ale nezáleží na okolním prostředí. Nakonec otevřený systém může provádět výměny s prostředím.
Izolovaný systém, který se může vyvíjet dostatečně dlouho, má spontánně sklon k termodynamické rovnováze, ve které si jeho proměnné ponechají svoji hodnotu na neurčito. A když se jedná o otevřený systém, musí být jeho hodnoty stejné jako hodnoty prostředí..
Toho bude dosaženo za předpokladu, že jsou splněny všechny rovnovážné podmínky uložené každým konkrétním typem..
Rejstřík článků
Jeden druh základní rovnováhy je tepelná rovnováha, který je přítomen v mnoha každodenních situacích, jako je horký šálek kávy a lžíce, s níž se míchá cukr.
Takový systém spontánně inklinuje k získání stejné teploty po určité době, po které nastane rovnováha, protože všechny části mají stejnou teplotu..
Jak se to stane, existuje teplotní rozdíl, který řídí výměnu tepla v celém systému. Každý systém má čas na dosažení tepelné rovnováhy a dosažení stejné teploty ve všech svých bodech, tzv odpočinkový čas.
Když je tlak ve všech bodech systému konstantní, je v mechanické rovnováze.
The chemická rovnováha, někdy také nazývané materiálová bilance, dosáhne se, když chemické složení systému zůstane v průběhu času nezměněno.
Obecně se systém považuje za termodynamickou rovnováhu, když je současně v tepelné a mechanické rovnováze.
Proměnné, které se studují k analýze termodynamické rovnováhy systému, jsou různé, nejčastěji používanými jsou tlak, objem, hmotnost a teplota. Mezi další proměnné patří poloha, rychlost a další, jejichž výběr závisí na studovaném systému..
Jelikož indikace souřadnic bodu umožňuje znát jeho přesné umístění, znalost termodynamických proměnných jednoznačně určuje stav systému. Jakmile je systém v rovnováze, tyto proměnné splňují vztah známý jako stavová rovnice.
Stavová rovnice je funkcí termodynamických proměnných, jejichž obecná forma je:
f (P, V, T) = 0
Kde P je tlak, V je objem a T je teplota. Stavovou rovnici lze přirozeně vyjádřit pomocí jiných proměnných, ale jak již bylo řečeno, jedná se o proměnné, které se nejčastěji používají k charakterizaci termodynamických systémů..
Jednou z nejznámějších stavových rovnic je rovnice ideálních plynů PV = nRT. Tady n je počet molů, atomů nebo molekul a R je Boltzmannova konstanta: 1,30 x 10-2. 3 J / K (Joule / Kelvin).
Předpokládejme, že máme dva termodynamické systémy A a B s teploměrem, kterému budeme říkat T, který je kontaktován se systémem A dostatečně dlouho, aby A a T dosáhly stejné teploty. V tomto případě lze zajistit, že A a T jsou v tepelné rovnováze.
Stejný postup se poté opakuje se systémy B a T. Pokud se ukáže, že teplota B je stejná jako teplota A, pak jsou A a B v tepelné rovnováze. Tento výsledek je znám jako nulový zákon nebo nulový princip termodynamiky, který je formálně uveden následovně:
Pokud jsou dva systémy A a B v tepelné rovnováze, každý nezávisle na třetím systému T, pak je možné konstatovat, že A a B jsou v tepelné rovnováze navzájem.
A z této zásady vyplývá následující:
Systém je v termodynamické rovnováze, když jsou všechny jeho části stejné teploty.
Proto nelze v termodynamické rovnováze uvažovat o dvou tělesech v tepelném kontaktu, která nemají stejnou teplotu..
To, co systém pohání k dosažení tepelné rovnováhy, je entropie, velikost, která označuje, jak blízko je systém k rovnováze, což svědčí o jeho stavu poruchy. Čím více poruch, tím více entropie existuje, právě naopak, pokud je systém velmi uspořádaný, v tomto případě entropie klesá.
Stav tepelné rovnováhy je přesně stavem maximální entropie, což znamená, že jakýkoli izolovaný systém jde spontánně do stavu větší poruchy..
Nyní je přenos tepelné energie v systému řízen změnou jeho entropie. Nechť S je entropie a označme řeckým písmenem „delta“ změnu v ní: ΔS. Změna, která vezme systém z počátečního stavu do konečného stavu, je definována jako:
Tato rovnice platí pouze pro reverzibilní procesy. Proces, při kterém se systém může plně vrátit do původních podmínek a v každém bodě cesty je v termodynamické rovnováze.
- Při přenosu tepla z teplejšího tělesa do chladnějšího se entropie zvyšuje, dokud není teplota obou stejná, poté zůstává jeho hodnota konstantní, pokud je systém izolován.
- Dalším příkladem zvyšování entropie je rozpouštění chloridu sodného ve vodě, dokud není dosaženo rovnováhy, jakmile se sůl úplně rozpustí..
- V pevné látce, která se taví, se také zvyšuje entropie, protože molekuly přecházejí z řádnější situace, kterou je pevná látka, do neuspořádanější, jako je kapalina..
- U některých typů spontánního radioaktivního rozpadu se výsledný počet částic zvyšuje a s ním i entropie systému. V jiných rozpadech, ve kterých dochází ke zničení částic, dochází k transformaci hmoty na kinetickou energii, která nakonec rozptyluje teplo, a entropie se také zvyšuje..
Takové příklady zdůrazňují skutečnost, že termodynamická rovnováha je relativní: systém může být v termodynamické rovnováze lokálně, například pokud se uvažuje systém šálek kávy + lžička..
Systém prostředí šálek kávy + lžíce + však nemusí být v tepelné rovnováze, dokud káva úplně nevychladne..
Zatím žádné komentáře