ECHILIBRUL TERMODINAMIC: CLASE ȘI APLICAȚII - FIZIC - 2025

Echilibrul termodinamic al unui sistem izolat este definit ca o stare de echilibru , în care variabilele pe care le caracterizează și care pot fi măsurate sau calculate nu suferi modificări, având în vedere că , datorită izolării sale nu există forțe exterioare care tind să modifice această stare. .

Atât sistemele, cât și clasele de echilibru care trebuie luate în considerare sunt foarte diverse. Un sistem poate fi o celulă, o băutură rece cu gheață, un avion plin de pasageri, o persoană sau o piesă de utilaj, pentru a numi doar câteva exemple. De asemenea, pot fi izolate, închise sau deschise, în funcție de faptul dacă pot sau nu schimba energie și materie cu împrejurimile lor.

Componentele cocktailului sunt în echilibru termic. Sursa: Pexels.

Un sistem izolat nu interacționează cu mediul înconjurător, nu intră nimic și nu îl lasă. Un sistem închis poate schimba energie, dar nu contează cu mediul înconjurător. În cele din urmă, sistemul deschis este liber să facă schimburi cu mediul.

Ei bine, un sistem izolat care este lăsat să evolueze suficient de mult, tinde spontan la un echilibru termodinamic în care variabilele sale își vor păstra valoarea la nesfârșit. Iar când este un sistem deschis, valorile sale trebuie să fie aceleași cu cele ale mediului.

Aceasta se va realiza atât timp cât toate condițiile de echilibru impuse de fiecare tip particular sunt îndeplinite.

Clase de echilibru

Echilibru termic

Un fel de echilibru fundamental este echilibrul termic, care este prezent în multe situații de zi cu zi, cum ar fi o cană fierbinte de cafea și lingura cu care este agitat zahărul.

Un astfel de sistem tinde spontan să dobândească aceeași temperatură după un anumit timp, după care ajunge echilibrul, deoarece toate părțile sunt la aceeași temperatură.

După cum se întâmplă, există o diferență de temperatură care determină schimbul de căldură în întregul sistem. Fiecare sistem are un timp pentru atingerea echilibrului termic și atingerea aceleiași temperaturi în toate punctele, numit timp de relaxare.

Bilanț mecanic

Când presiunea în toate punctele unui sistem este constantă, aceasta se află în echilibru mecanic.

Echilibrul chimic

Echilibrul chimic, numit uneori și echilibru material, este atins atunci când compoziția chimică a unui sistem rămâne neschimbată în timp.

În general, un sistem este considerat în echilibru termodinamic atunci când se află în echilibru termic și mecanic simultan.

Variabilele termodinamice și ecuația stării

Variabilele care sunt studiate pentru a analiza echilibrul termodinamic al unui sistem sunt diverse, cele mai utilizate fiind presiunea, volumul, masa și temperatura. Alte variabile includ poziția, viteza și altele a căror selecție depinde de sistemul studiat.

Astfel, întrucât indicarea coordonatelor unui punct face posibilă cunoașterea locației sale exacte, cunoașterea variabilelor termodinamice determină fără echivoc starea unui sistem. Odată ce sistemul este în echilibru, aceste variabile satisfac o relație cunoscută sub numele de ecuația stării.

Ecuația stării este o funcție a variabilelor termodinamice a căror formă generală este:

Unde P este presiune, V este volum, iar T este temperatura. Desigur, ecuația de stare ar putea fi exprimată în termeni de alte variabile, dar așa cum s-a spus anterior, acestea sunt variabilele cele mai utilizate pentru a caracteriza sistemele termodinamice.

Una dintre cele mai cunoscute ecuații de stare este cea a gazelor ideale PV = nRT. Aici n este numărul de moli, atomi sau molecule, iar R este constanta lui Boltzmann: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Echilibrul termodinamic și legea zero a Termodinamicii

Să presupunem că avem două sisteme termodinamice A și B cu un termometru pe care îl vom numi T, care este pus în contact cu sistemul A suficient de mult pentru ca A și T să atingă aceeași temperatură. Într-un astfel de caz, se poate asigura că A și T sunt în echilibru termic.

Cu ajutorul unui termometru se verifică legea zero a termodinamicii. Sursa: Pexels.

Aceeași procedură se repetă apoi cu sistemul B și T. Dacă temperatura lui B se dovedește a fi aceeași cu cea a lui A, atunci A și B sunt în echilibru termic. Acest rezultat este cunoscut sub numele de legea zero sau principiul zero al Termodinamicii, care este declarat formal astfel:

Din acest principiu se încheie următoarele:

Prin urmare, două corpuri în contact termic care nu sunt la aceeași temperatură nu pot fi luate în considerare în echilibru termodinamic.

Entropie și echilibru termodinamic

Ceea ce conduce un sistem să atingă echilibrul termic este entropia, o mărime care indică cât de aproape este sistemul de echilibru, ceea ce indică starea lui de tulburare. Cu cât este mai multă dezordine, cu atât există mai multă entropie, tocmai apare opusul dacă un sistem este foarte ordonat, în acest caz entropia scade.

Starea de echilibru termic este tocmai starea de entropie maximă, ceea ce înseamnă că orice sistem izolat merge spontan către o stare de tulburare mai mare.

Acum, transferul de energie termică în sistem este guvernat de modificarea entropiei sale. Fie S entropia și să notăm cu litera greacă „delta” schimbarea în ea: ΔS. Modificarea care duce sistemul de la o stare inițială la o stare finală este definită ca:

Această ecuație este valabilă numai pentru procesele reversibile. Proces în care sistemul poate reveni complet la condițiile sale inițiale și se află în echilibru termodinamic la fiecare punct de-a lungul drumului.

Exemple de sisteme cu entropie în creștere

- În transferul de căldură de la un corp mai cald la unul mai rece, entropia crește până când temperatura ambelor este aceeași, după care valoarea acesteia rămâne constantă dacă sistemul este izolat.

- Un alt exemplu de creștere a entropiei este dizolvarea clorurii de sodiu în apă, până la atingerea echilibrului imediat ce sarea s-a dizolvat complet.

- Într-un solid care se topește, entropia este de asemenea în creștere, deoarece moleculele se deplasează dintr-o situație mai ordonată, care este solidă, la una mai dezordonată ca un lichid.

- În unele tipuri de descompunere radioactivă spontană, numărul de particule rezultat crește și odată cu aceasta entropia sistemului. În alte decăderi în care are loc anihilarea particulelor, există o transformare de la masă la energia cinetică care disipează în cele din urmă căldura, iar entropia crește și ea.

Astfel de exemple evidențiază faptul că echilibrul termodinamic este relativ: un sistem poate fi în echilibru termodinamic local, de exemplu dacă se ia în considerare ceașca de cafea + lingurița.

Cu toate acestea, ceașca de cafea + lingură + sistemul de mediu poate să nu fie în echilibru termic până când cafeaua nu s-a răcit complet.

Referințe

1. Bauer, W. 2011. Fizică pentru inginerie și științe. Volumul 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamica. Ediția 7 ^ma . McGraw Hill. 15-25 și 332-334.
3. Termodinamicii. Recuperat din: ugr.es.
4. Universitatea Națională din Rosario. Fizico-chimice I. Recuperat din: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy și a doua lege a termodinamicii în interacțiuni particulare și nucleare. Universitatea de Stat din San Jose Recuperat din: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Echilibrul termodinamic. Recuperat de la: en.wikipedia.org.