Termodynaaminen tasapaino

Termodynaaminen tasapaino  on järjestelmän tila, jossa tämän järjestelmän makroskooppiset suuret ( lämpötila , paine , tilavuus , entropia ) pysyvät muuttumattomina ajallisesti eristyksissä ympäristöstä.

Ominaisuudet

Yleensä nämä arvot eivät ole vakioita, ne vain vaihtelevat (vaihtelevat) keskiarvojensa ympärillä. Jos tasapainojärjestelmä vastaa useita tiloja, joissa jokaisessa järjestelmä voi olla rajattoman pitkä, niin järjestelmän sanotaan olevan metastabiilissa tasapainossa. Tasapainotilassa järjestelmässä ei ole aine- tai energiavirtoja, ei-tasapainopotentiaalia (tai käyttövoimaa), muutoksia läsnä olevien faasien lukumäärässä ( faasitasapaino ). On terminen (tilastollinen, se on myös termodynaaminen tasapaino ), mekaaninen , hydroaeromekaaninen (hydrodynaaminen, hydrostaattinen ), säteily (säteily) [1] ja kemiallinen tasapaino. Käytännössä eristysehto tarkoittaa sitä, että tasapainon muodostumisprosessit etenevät paljon nopeammin kuin muutokset tapahtuvat järjestelmän rajoilla (eli muutokset järjestelmän ulkopuolisissa olosuhteissa) ja järjestelmä vaihtaa ainetta ja energiaa ympäristön kanssa . Toisin sanoen termodynaaminen tasapaino saavutetaan, jos relaksaatioprosessien nopeus on riittävän korkea (yleensä tämä on ominaista korkean lämpötilan prosesseille) tai tasapainon saavuttamisaika on pitkä (tämä tapaus esiintyy geologisissa prosesseissa).

Makroskooppisen järjestelmän tasapainotila on erityisen kätevä kuvata yksinkertaisuutensa vuoksi. Se ei riipu ajasta (paitsi vaihtelut) ja yleensä voidaan kuvata täysin useilla makroskooppisilla parametreilla. Tasapainotila ei myöskään riipu makroskooppisen järjestelmän tilojen esihistoriasta ja on järjestelmän satunnaisin makroskooppinen tila tietyissä olosuhteissa [2] .

Todellisissa prosesseissa epätäydellinen ( suhteellinen , liikkuva , dynaaminen ) tasapaino usein toteutuu , mutta tämän epätäydellisyyden aste voi olla merkittävä ja merkityksetön . Tässä tapauksessa kolme vaihtoehtoa on mahdollista:

1. tasapaino saavutetaan suhteellisen suuren järjestelmän jossakin osassa (tai osissa) - paikallinen tasapaino,
2. epätäydellinen tasapaino saavutetaan johtuen järjestelmässä tapahtuvien rentoutumisprosessien nopeuksien eroista - osittainen tasapaino,
3. sekä paikallinen että osittainen tasapaino tapahtuu.

Epätasapainojärjestelmissä muutoksia tapahtuu aine- tai energiavirroissa tai esimerkiksi vaiheissa.

Termodynaamisen tasapainon stabiilisuus

Termodynaamisen tasapainon tilaa kutsutaan stabiiliksi, jos systeemin makroskooppisten parametrien muuttuessa järjestelmä palaa spontaanisti määritettyyn tilaan [3] .

Eri järjestelmien termodynaamisen stabiilisuuden kriteerit:

• Eristetty (ei täysin vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa) järjestelmä  on suurin entropia .
• Suljettu (vaihtaa vain lämpöä termostaatilla) järjestelmä  - vähintään vapaata energiaa .
• Järjestelmä, jossa on kiinteä lämpötila ja paine , on Gibbsin potentiaalin  minimi .
• Järjestelmä, jolla on kiinteä entropia ja tilavuus  – minimi sisäinen energia .
• Järjestelmä kiinteällä entropialla ja  paineentalpialla .

Muistiinpanot

1. ↑ Katso myös lämpötasapainosäteily .
2. ↑ Reif R. Tilastollinen fysiikka. - Berkeleyn fysiikan kurssi , osa V. - M., Nauka , 1977. - s. 41-42
3. ↑ Rudoy Yu. G. Termodynaaminen vakaus Arkistokopio 18. heinäkuuta 2019 Wayback Machinessa // Great Russian Encyclopedia. Osa 33. Moskova, 2017, s. 126