THERMODYNAMISCHES GLEICHGEWICHT: KLASSEN UND ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Das thermodynamische Gleichgewicht eines isolierten Systems ist definiert als ein Gleichgewichtszustand, in dem sich die Variablen, die es charakterisieren und die gemessen oder berechnet werden können, nicht ändern, da es aufgrund seiner Isolation keine externen Kräfte gibt, die dazu neigen, diesen Zustand zu modifizieren. .

Sowohl die zu berücksichtigenden Systeme als auch die zu berücksichtigenden Gleichgewichtsklassen sind sehr unterschiedlich. Ein System kann eine Zelle, ein eiskaltes Getränk, ein Flugzeug voller Passagiere, eine Person oder eine Maschine sein, um nur einige Beispiele zu nennen. Sie können auch isoliert, geschlossen oder offen sein, je nachdem, ob sie Energie und Materie mit ihrer Umgebung austauschen können oder nicht.

Die Bestandteile des Cocktails befinden sich im thermischen Gleichgewicht. Quelle: Pexels.

Ein isoliertes System interagiert nicht mit der Umgebung, nichts betritt oder verlässt sie. Ein geschlossenes System kann Energie austauschen, spielt jedoch keine Rolle mit der Umgebung. Schließlich steht es dem offenen System frei, sich mit der Umwelt auszutauschen.

Nun, ein isoliertes System, das sich lange genug entwickeln kann, neigt spontan zum thermodynamischen Gleichgewicht, in dem seine Variablen ihren Wert auf unbestimmte Zeit behalten. Und wenn es sich um ein offenes System handelt, müssen seine Werte mit denen der Umgebung übereinstimmen.

Dies wird erreicht, solange alle von jedem bestimmten Typ auferlegten Gleichgewichtsbedingungen erfüllt sind.

Balanceklassen

Thermisches Gleichgewicht

Eine Art von Grundgleichgewicht ist das thermische Gleichgewicht, das in vielen alltäglichen Situationen vorhanden ist, wie z. B. einer heißen Tasse Kaffee und dem Löffel, mit dem der Zucker gerührt wird.

Ein solches System neigt spontan dazu, nach einer bestimmten Zeit die gleiche Temperatur zu erreichen, wonach das Gleichgewicht eintritt, da alle Teile die gleiche Temperatur haben.

In diesem Fall gibt es einen Temperaturunterschied, der den Wärmeaustausch im gesamten System antreibt. Jedes System hat eine Zeit, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen und an allen Punkten die gleiche Temperatur zu erreichen, die als Relaxationszeit bezeichnet wird.

Mechanische Waage

Wenn der Druck an allen Punkten eines Systems konstant ist, befindet er sich im mechanischen Gleichgewicht.

Chemische Bilanz

Das chemische Gleichgewicht, manchmal auch als Materialgleichgewicht bezeichnet, wird erreicht, wenn die chemische Zusammensetzung eines Systems über die Zeit unverändert bleibt.

Im Allgemeinen wird ein System im thermodynamischen Gleichgewicht betrachtet, wenn es sich gleichzeitig im thermischen und mechanischen Gleichgewicht befindet.

Thermodynamische Variablen und Zustandsgleichung

Die Variablen, die zur Analyse des thermodynamischen Gleichgewichts eines Systems untersucht werden, sind vielfältig. Am häufigsten werden Druck, Volumen, Masse und Temperatur verwendet. Andere Variablen sind Position, Geschwindigkeit und andere, deren Auswahl vom untersuchten System abhängt.

Da die Angabe der Koordinaten eines Punktes es ermöglicht, seine genaue Position zu kennen, bestimmt die Kenntnis der thermodynamischen Variablen eindeutig den Zustand eines Systems. Sobald sich das System im Gleichgewicht befindet, erfüllen diese Variablen eine Beziehung, die als Zustandsgleichung bekannt ist.

Die Zustandsgleichung ist eine Funktion der thermodynamischen Variablen, deren allgemeine Form ist:

Wobei P Druck ist, V Volumen ist und T Temperatur ist. Natürlich könnte die Zustandsgleichung in Form anderer Variablen ausgedrückt werden, aber wie bereits erwähnt, sind dies die Variablen, die am häufigsten zur Charakterisierung thermodynamischer Systeme verwendet werden.

Eine der bekanntesten Zustandsgleichungen ist die der idealen Gase PV = nRT. Hier ist n die Anzahl der Mol, Atome oder Moleküle und R ist die Boltzmann-Konstante: 1,30 × 10 ^–23 J / K (Joule / Kelvin).

Thermodynamisches Gleichgewicht und das Nullgesetz der Thermodynamik

Angenommen, wir haben zwei thermodynamische Systeme A und B mit einem Thermometer, das wir T nennen und das lange genug mit System A in Kontakt gebracht wird, damit A und T die gleiche Temperatur erreichen. In einem solchen Fall kann sichergestellt werden, dass sich A und T im thermischen Gleichgewicht befinden.

Mit Hilfe eines Thermometers wird das Nullgesetz der Thermodynamik verifiziert. Quelle: Pexels.

Das gleiche Verfahren wird dann mit System B und T wiederholt. Wenn sich herausstellt, dass die Temperatur von B dieselbe wie die von A ist, befinden sich A und B im thermischen Gleichgewicht. Dieses Ergebnis ist als Nullgesetz oder Nullprinzip der Thermodynamik bekannt, das formal wie folgt angegeben wird:

Und aus diesem Prinzip wird folgendes geschlossen:

Daher können zwei Körper in thermischem Kontakt, die nicht die gleiche Temperatur haben, nicht im thermodynamischen Gleichgewicht berücksichtigt werden.

Entropie und thermodynamisches Gleichgewicht

Was ein System antreibt, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, ist die Entropie, eine Größe, die angibt, wie nahe das System am Gleichgewicht ist, und die seinen Störungszustand anzeigt. Je mehr Unordnung, desto mehr Entropie gibt es, genau das Gegenteil tritt auf, wenn ein System sehr geordnet ist, in diesem Fall nimmt die Entropie ab.

Der Zustand des thermischen Gleichgewichts ist genau der Zustand maximaler Entropie, was bedeutet, dass jedes isolierte System spontan in Richtung eines Zustands größerer Unordnung geht.

Die Übertragung von Wärmeenergie im System wird nun durch die Änderung seiner Entropie bestimmt. Sei S die Entropie und bezeichnen wir mit dem griechischen Buchstaben "Delta" die Änderung darin: ΔS. Die Änderung, die das System von einem Anfangszustand in einen Endzustand versetzt, ist wie folgt definiert:

Diese Gleichung gilt nur für reversible Prozesse. Prozess, bei dem das System vollständig zu seinen Ausgangsbedingungen zurückkehren kann und sich an jedem Punkt des Weges im thermodynamischen Gleichgewicht befindet.

Beispiele für Systeme mit zunehmender Entropie

- Bei der Wärmeübertragung von einem heißeren auf einen kälteren Körper steigt die Entropie an, bis die Temperatur beider gleich ist. Danach bleibt ihr Wert konstant, wenn das System isoliert ist.

- Ein weiteres Beispiel für eine zunehmende Entropie ist die Auflösung von Natriumchlorid in Wasser, bis das Gleichgewicht erreicht ist, sobald sich das Salz vollständig aufgelöst hat.

- In einem Feststoff, der schmilzt, nimmt auch die Entropie zu, da sich die Moleküle von einer geordneteren Situation, die ein Feststoff ist, zu einer ungeordneteren Situation als Flüssigkeit bewegen.

- Bei einigen Arten des spontanen radioaktiven Zerfalls nimmt die resultierende Partikelanzahl und damit die Entropie des Systems zu. Bei anderen Zerfällen, bei denen Partikelvernichtung auftritt, kommt es zu einer Umwandlung von Masse in kinetische Energie, die schließlich Wärme abführt, und die Entropie nimmt ebenfalls zu.

Solche Beispiele unterstreichen die Tatsache, dass das thermodynamische Gleichgewicht relativ ist: Ein System kann lokal im thermodynamischen Gleichgewicht sein, beispielsweise wenn das System Tasse Tasse + Teelöffel berücksichtigt wird.

Das System für Kaffeetasse + Löffel + Umgebung befindet sich jedoch möglicherweise nicht im thermischen Gleichgewicht, bis der Kaffee vollständig abgekühlt ist.

Verweise

1. Bauer, W. 2011. Physik für Ingenieurwissenschaften. Band 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamik. 7 ^ma Edition. McGraw Hill. 15-25 und 332-334.
3. Thermodynamik. Wiederhergestellt von: ugr.es.
4. Nationale Universität von Rosario. Physikochemisch I. Wiederhergestellt aus: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in Teilchen- und Kernwechselwirkungen. San Jose State University. Wiederhergestellt von: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Thermodynamisches Gleichgewicht. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org.