Classi e applicazioni di equilibrio termodinamico

Lui Equilibrio termodinamico Da un sistema isolato è definito come uno stato di equilibrio in cui le variabili che lo caratterizzano e che possono essere misurate o calcolate non sperimentano cambiamenti, poiché a causa delle loro condizioni di isolamento non ci sono forze esterne che tendono a modificare quello stato.

Sia i sistemi che le classi di equilibrio da considerare sono molto diversi. Un sistema può essere una cella, una bevanda ghiacciata, un aereo pieno di passeggeri, una persona o un macchinario, per menzionare solo alcuni esempi. Possono anche essere isolati, chiusi o aperti, a seconda che possano scambiare energia e importare con il loro ambiente.

I componenti del cocktail sono in equilibrio termico. Fonte: Pexels.

UN sistema isolato Non interagisce con l'ambiente, nulla entra o lo lascia. UN Sistema chiuso Può scambiare energia ma non importare con l'ambiente circostante. Finalmente il sistema aperto è libero di eseguire scambi con l'ambiente.

Bene, un sistema isolato che è autorizzato a evolvere tempo sufficiente, tende spontaneamente all'equilibrio termodinamico in cui le sue variabili manterranno indefinitamente il suo valore. E nel caso di un sistema aperto, i suoi valori devono essere gli stessi di quelli nell'ambiente.

Ciò sarà ottenuto ogni volta che tutte le condizioni di equilibrio imposte da ciascun tipo in particolare sono soddisfatte.

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Lezioni di equilibrio

Equilibrio termale

Una classe di equilibrio fondamentale è la equilibrio termale, che è presente in molte situazioni quotidiane, come una tazza di caffè caldo e il cucchiaino con cui lo zucchero viene mescolato.

Tale sistema tende spontaneamente ad acquisire la stessa temperatura dopo un determinato tempo, dopo di che arrivi l'equilibrio poiché tutte le parti sono alla stessa temperatura.

Mentre ciò accade, c'è una differenza di temperatura che guida lo scambio di calore in tutto il sistema. Ogni sistema ha il tempo di raggiungere l'equilibrio termico e raggiungere la stessa temperatura in tutti i punti, chiamati Rilassati il ​​tempo.

Equilibrio meccanico

Quando la pressione in tutti i punti di un sistema è costante, è in equilibrio meccanico.

Può servirti: densità

Equilibrio chimico

Lui Equilibrio chimico, Chiamato anche a volte Equilibrio materiale, Viene raggiunto quando la composizione chimica di un sistema rimane inalterabile nel tempo.

In generale, un sistema è considerato in equilibrio termodinamico quando è in equilibrio termico e meccanico contemporaneamente.

Variabili termodinamiche ed equazione statale

Le variabili studiate per analizzare l'equilibrio termodinamico di un sistema sono diverse, la pressione, il volume, la massa e la temperatura più comunemente usate sono i più comunemente usati. Altre variabili includono la posizione, la velocità e altre la cui selezione dipende dal sistema in studio.

Pertanto, come indicare le coordinate di un punto lo rende possibile. Una volta che il sistema è in equilibrio, queste variabili soddisfano una relazione nota come Equazione statale.

L'equazione dello stato è una funzione delle variabili termodinamiche la cui forma in generale è:

f (p, v, t) = 0

Dove p è la pressione, v è il volume e t è la temperatura. Naturalmente, l'equazione statale potrebbe essere espressa in termini di altre variabili, ma come è stato detto in precedenza, queste sono le variabili più utilizzate per caratterizzare i sistemi termodinamici.

Una delle equazioni statali più conosciute è quella dei gas ideali Pv = nrt. Qui N È il numero di moli, atomi o molecole e R È costante di Boltzmann: 1.30 x 10^-23 J/K (Joule/Kelvin).

L'equilibrio termodinamico e la legge zero della termodinamica

Supponiamo che ci siano due sistemi termodinamici A e B con un termometro che chiameremo T, che si mette in contatto con il sistema al momento abbastanza per A e T avere la stessa temperatura. In questo caso si può garantire che A e T siano in equilibrio termico.

Può servirti: palloncino aerostatico: storia, caratteristiche, parti, come funzionaCon l'aiuto di un termometro, la legge zero della termodinamica è dimostrata. Fonte: Pexels.

La stessa procedura con il sistema B e T viene ripetuta di seguito. Se la temperatura di B risulta essere la stessa di quella di A, allora A e B sono in equilibrio termico. Questo risultato è noto come legge zero o principio zero della termodinamica, che è formalmente dichiarato:

Se due sistemi A e B sono in equilibrio termico ciascuno indipendentemente con un terzo sistema T, è possibile affermare che A e B sono in equilibrio termico tra loro.

E da questo principio si è concluso quanto segue:

Un sistema è in equilibrio termodinamico quando tutte le sue parti sono alla stessa temperatura.

Pertanto, due corpi a contatto termico che non sono alla stessa temperatura non possono essere considerati in equilibrio termodinamico.

Equilibrio entropia e termodinamico

Ciò che guida un sistema per raggiungere l'equilibrio termico è Entropia, Una grandezza che indica quanto è vicino il sistema a bilanciare, essendo indicativo del suo disturbo. Maggiore è il disturbo, c'è più entropia, sta accadendo il contrario se un sistema è molto ordinato, scendendo in questo caso l'entropia.

Lo stato dell'equilibrio termico è proprio lo stato dell'entropia massima, il che significa che qualsiasi sistema isolato è diretto verso uno stato di maggiore disturbo spontaneamente.

Ora, il trasferimento di energia termica nel sistema è regolato dal cambiamento nella sua entropia. Lascia che l'entropia e denoti con la lettera greca "Delta" il cambiamento in essa: ΔS. Il cambiamento che porta al sistema da uno stato iniziale a un'altra estremità è definito come:

Dove q è la quantità di calore (in joule) e t è la temperatura (in kelvin), in modo che le unità SI (sistema internazionale) per l'entropia e il cambiamento di entropia siano joule/kelvin (j/k).

Può servirti: variabile discreta: caratteristiche ed esempi

Questa equazione è valida solo per i processi reversibili. Processo in cui il sistema può tornare completamente alle sue condizioni iniziali e in ciascun punto della strada è in equilibrio termodinamico.

Esempi di sistemi con entropia crescente

- Nel trasferimento di calore da un corpo più caldo a un corpo più freddo, l'entropia aumenta fino a quando entrambe la temperatura è la stessa, dopo di che il suo valore rimane costante se il sistema è isolato.

- Un altro esempio di crescente entropia è la soluzione di cloruro di sodio in acqua, fino a raggiungere l'equilibrio poiché il sale si è completamente sciolto.

- In un solido che si scioglie l'entropia sta aumentando, poiché le molecole stanno passando da una situazione più ordinata, che è solida, a un liquido più disordinato.

- In alcuni tipi di decadimento radioattivo spontaneo, il numero risultante di particelle aumenta e con esso l'entropia del sistema. In altri cali in cui si verifica l'annientamento delle particelle, vi è una trasformazione di massa all'energia cinetica che alla fine dissipa il calore e aumenta anche l'entropia.

Tali esempi mostrano il fatto che l'equilibrio termodinamico è relativo: un sistema può essere in equilibrio termodinamico localmente, ad esempio se viene considerata la tazza di caffè + cucchiaino.

Tuttavia, il sistema di tazza di caffè + cucchiaino + ambiente non potrebbe essere in equilibrio termico fino a quando il caffè non si è completamente raffreddato.

Riferimenti

1. Bauer, w. 2011. Fisica per ingegneria e scienze. Volume 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, e. 2012. Termodinamica. 7^Ma Edizione. McGraw Hill. 15-25 e 332-334.
3. Termodinamica. Recuperato da: ugr.È.
4. Università nazionale di Rosario. FisicoCochimica i. Recuperato da: RECITO.a r.Edu.ar
5. Watkins, t. Entropia e la seconda legge della termodinamica in Partle e Interazioni nucleari. San Jose State University. Recuperato da: SJSU.Edu.
6. Wikipedia. Equilibrio mediodinamico. Recuperato da: in.Wikipedia.org.