De thermodynamisch evenwicht van een geïsoleerd systeem wordt gedefinieerd als een evenwichtstoestand waarin de variabelen die het karakteriseren en die kunnen worden gemeten of berekend geen veranderingen ondergaan, aangezien er vanwege het isolement geen externe krachten zijn die de neiging hebben om die toestand te wijzigen.
Zowel de systemen als de evenwichtsklassen die in aanmerking moeten worden genomen, zijn zeer divers. Een systeem kan een cel zijn, een ijskoude drank, een vliegtuig vol passagiers, een persoon of een machine, om maar een paar voorbeelden te noemen. Ze kunnen ook geïsoleerd, gesloten of open zijn, afhankelijk van of ze al dan niet energie en materie kunnen uitwisselen met hun omgeving..
EEN geïsoleerd systeem het heeft geen interactie met de omgeving, er komt niets binnen of verlaat het. EEN systeem gesloten het kan energie uitwisselen, maar doet er niet toe met de omgeving eromheen. eindelijk, de open systeem is vrij om uitwisselingen te maken met de omgeving.
Welnu, een geïsoleerd systeem dat lang genoeg mag evolueren, neigt spontaan naar een thermodynamisch evenwicht waarin de variabelen voor onbepaalde tijd hun waarde behouden. En als het een open systeem is, moeten de waarden dezelfde zijn als die van de omgeving..
Dit zal worden bereikt op voorwaarde dat aan alle evenwichtsvoorwaarden die door elk bepaald type worden opgelegd, wordt voldaan..
Artikel index
Een soort fundamenteel evenwicht is de thermisch evenwicht, dat is in veel alledaagse situaties aanwezig, zoals een warme kop koffie en de lepel waarmee de suiker wordt geroerd.
Zo'n systeem heeft spontaan de neiging om na een bepaalde tijd dezelfde temperatuur te krijgen, waarna het evenwicht bereikt omdat alle onderdelen dezelfde temperatuur hebben..
Als dat gebeurt, is er een temperatuurverschil dat de warmte-uitwisseling door het hele systeem stimuleert. Elk systeem heeft een tijd om thermisch evenwicht te bereiken en dezelfde temperatuur op al zijn punten te bereiken, genaamd vrije tijd.
Wanneer de druk op alle punten in een systeem constant is, is het in mechanisch evenwicht.
De chemisch evenwicht, ook wel eens genoemd materiële balans, het wordt bereikt wanneer de chemische samenstelling van een systeem in de loop van de tijd ongewijzigd blijft.
In het algemeen wordt een systeem in thermodynamisch evenwicht beschouwd wanneer het tegelijkertijd in thermisch en mechanisch evenwicht is.
De variabelen die worden bestudeerd om het thermodynamische evenwicht van een systeem te analyseren, zijn divers, de meest gebruikte zijn druk, volume, massa en temperatuur. Andere variabelen zijn onder meer positie, snelheid en andere waarvan de selectie afhangt van het systeem dat wordt bestudeerd..
Omdat het aangeven van de coördinaten van een punt het dus mogelijk maakt om de exacte locatie te kennen, bepaalt het kennen van de thermodynamische variabelen ondubbelzinnig de toestand van een systeem. Als het systeem eenmaal in evenwicht is, voldoen deze variabelen aan een relatie die bekend staat als vergelijking van staat.
De toestandsvergelijking is een functie van thermodynamische variabelen waarvan de algemene vorm is:
f (P, V, T) = 0
Waar P is druk, V is volume en T is temperatuur. Natuurlijk zou de toestandsvergelijking kunnen worden uitgedrukt in termen van andere variabelen, maar zoals eerder gezegd, zijn dit de variabelen die het meest worden gebruikt om thermodynamische systemen te karakteriseren..
Een van de bekendste toestandsvergelijkingen is die van ideale gassen PV = nRT. Hier n is het aantal mol, atomen of moleculen en R is de constante van Boltzmann: 1,30 x 10-2. 3 J / K (Joule / Kelvin).
Stel dat we twee thermodynamische systemen A en B hebben met een thermometer die we T zullen noemen, die lang genoeg in contact wordt gebracht met systeem A om A en T dezelfde temperatuur te laten bereiken. In dit geval kan ervoor worden gezorgd dat A en T zich in thermisch evenwicht bevinden.
Dezelfde procedure wordt dan herhaald met systeem B en T. Als de temperatuur van B dezelfde blijkt te zijn als die van A, dan zijn A en B in thermisch evenwicht. Dit resultaat staat bekend als de nulwet of het nulprincipe van de thermodynamica, dat formeel als volgt wordt verklaard:
Als twee systemen A en B elk onafhankelijk in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem T, dan is het mogelijk om te stellen dat A en B in thermisch evenwicht met elkaar zijn.
En uit dit principe wordt het volgende geconcludeerd:
Een systeem is in thermodynamisch evenwicht wanneer alle onderdelen dezelfde temperatuur hebben.
Daarom kunnen twee lichamen in thermisch contact die niet dezelfde temperatuur hebben, niet als thermodynamisch evenwicht worden beschouwd..
Wat een systeem drijft om thermisch evenwicht te bereiken, is de entropie, een omvang die aangeeft hoe dicht het systeem bij evenwicht is, wat een indicatie is van de toestand van wanorde. Hoe meer wanorde, hoe meer entropie er is, precies het tegenovergestelde gebeurt als een systeem erg geordend is, in dit geval neemt de entropie af.
De toestand van thermisch evenwicht is precies de toestand van maximale entropie, wat betekent dat elk geïsoleerd systeem spontaan naar een toestand van grotere wanorde gaat..
Nu wordt de overdracht van thermische energie in het systeem bepaald door de verandering in zijn entropie. Laat S de entropie zijn en laten we de verandering daarin aangeven met de Griekse letter "delta": AS. De wijziging die het systeem van een begintoestand naar een eindtoestand brengt, wordt gedefinieerd als:
Deze vergelijking is alleen geldig voor omkeerbare processen. Proces waarin het systeem volledig kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke omstandigheden en op elk punt van de manier waarop het zich in thermodynamisch evenwicht bevindt.
- Bij de overdracht van warmte van een warmer lichaam naar een kouder lichaam, neemt de entropie toe totdat de temperatuur van beide hetzelfde is, waarna de waarde constant blijft als het systeem wordt geïsoleerd.
- Een ander voorbeeld van toenemende entropie is het oplossen van natriumchloride in water, totdat het evenwicht is bereikt zodra het zout volledig is opgelost..
- In een vaste stof die smelt, neemt de entropie ook toe, aangezien de moleculen zich verplaatsen van een meer geordende situatie, die een vaste stof is, naar een meer ongeordende situatie, zoals een vloeistof..
- Bij sommige soorten spontaan radioactief verval neemt het resulterende aantal deeltjes toe en daarmee de entropie van het systeem. In andere vervallen waarin deeltjes annihilatie optreedt, is er een transformatie van massa naar kinetische energie die uiteindelijk warmte dissipeert, en de entropie neemt ook toe..
Dergelijke voorbeelden benadrukken het feit dat thermodynamisch evenwicht relatief is: een systeem kan lokaal in thermodynamisch evenwicht zijn, bijvoorbeeld als het koffiekopje + theelepelsysteem wordt beschouwd..
Het koffiekopje + lepel + omgevingssysteem is echter mogelijk pas in thermisch evenwicht als de koffie volledig is afgekoeld..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.