KESEIMBANGAN TERMODINAMIK: KELAS DAN APLIKASI - FIZIKAL - 2026

The keseimbangan termodinamik sistem yang diasingkan ditakrifkan sebagai suatu keadaan keseimbangan di mana pembolehubah yang mencirikan dan yang boleh diukur atau dikira tidak mengalami perubahan, memandangkan bahawa kerana pengasingan tidak ada daya luaran yang cenderung untuk mengubah suai negeri itu. .

Kedua-dua sistem dan kelas keseimbangan yang perlu dipertimbangkan sangat berbeza. Sistem boleh berupa sel, minuman sejuk-es, pesawat yang penuh dengan penumpang, seseorang, atau sebilangan jentera, untuk menyebut beberapa contoh sahaja. Mereka juga boleh diasingkan, ditutup atau terbuka, bergantung pada apakah mereka dapat menukar tenaga dan masalah dengan persekitarannya.

Komponen koktel berada dalam keseimbangan terma. Sumber: Pexels.

Sistem terpencil tidak berinteraksi dengan persekitaran, tidak ada yang masuk atau meninggalkannya. Sistem tertutup dapat menukar tenaga tetapi tidak peduli dengan persekitaran di sekitarnya. Akhirnya, sistem terbuka bebas untuk melakukan pertukaran dengan persekitaran.

Nah, sistem terpencil yang dibiarkan berkembang cukup lama, cenderung secara spontan kepada keseimbangan termodinamik di mana pemboleh ubahnya akan mengekalkan nilainya selama-lamanya. Dan apabila ia adalah sistem terbuka, nilainya harus sama dengan nilai persekitaran.

Ini akan dicapai selagi semua keadaan keseimbangan yang dikenakan oleh setiap jenis tertentu dipenuhi.

Kelas imbangan

Keseimbangan haba

Salah satu jenis keseimbangan asas adalah keseimbangan terma, yang terdapat dalam banyak situasi sehari-hari, seperti secawan kopi panas dan sudu dengan gula yang diaduk.

Sistem sedemikian secara spontan cenderung memperoleh suhu yang sama setelah waktu tertentu, setelah itu keseimbangan tiba kerana semua bahagian berada pada suhu yang sama.

Ketika itu berlaku, terdapat perbezaan suhu yang mendorong pertukaran haba ke seluruh sistem. Setiap sistem mempunyai masa untuk mencapai keseimbangan terma dan mencapai suhu yang sama di semua titik, yang disebut waktu relaksasi.

Imbangan mekanikal

Apabila tekanan pada semua titik dalam sistem tetap, ia berada dalam keseimbangan mekanikal.

Imbangan kimia

Keseimbangan kimia, juga kadang-kadang disebut keseimbangan bahan, tercapai apabila komposisi kimia sistem tetap tidak berubah dari masa ke masa.

Secara umum, sistem dipertimbangkan dalam keseimbangan termodinamik ketika berada dalam keseimbangan termal dan mekanikal secara serentak.

Pemboleh ubah termodinamik dan persamaan keadaan

Pemboleh ubah yang dikaji untuk menganalisis keseimbangan termodinamik sistem adalah pelbagai, yang paling sering digunakan adalah tekanan, isipadu, jisim dan suhu. Pemboleh ubah lain termasuk kedudukan, kelajuan dan lain-lain yang pemilihannya bergantung pada sistem yang dikaji.

Oleh itu, sebagai menunjukkan koordinat suatu titik memungkinkan untuk mengetahui lokasinya yang tepat, mengetahui pemboleh ubah termodinamik secara tegas menentukan keadaan suatu sistem. Setelah sistem berada dalam keseimbangan, pemboleh ubah ini memenuhi hubungan yang dikenali sebagai persamaan keadaan.

Persamaan keadaan adalah fungsi pemboleh ubah termodinamik yang bentuk amnya adalah:

Di mana P adalah tekanan, V adalah isipadu, dan T adalah suhu. Secara semula jadi persamaan keadaan dapat dinyatakan dalam bentuk pemboleh ubah lain, tetapi seperti yang dikatakan sebelumnya, ini adalah pemboleh ubah yang paling sering digunakan untuk mencirikan sistem termodinamik.

Salah satu persamaan keadaan yang paling terkenal adalah gas PV ideal = nRT. Di sini n adalah bilangan mol, atom, atau molekul dan R adalah pemalar Boltzmann: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Keseimbangan termodinamik dan hukum termodinamik sifar

Andaikan kita mempunyai dua sistem termodinamik A dan B dengan termometer yang akan kita panggil T, yang bersentuhan dengan sistem A cukup lama untuk A dan T mencapai suhu yang sama. Dalam kes sedemikian, dapat dipastikan bahawa A dan T berada dalam keseimbangan terma.

Dengan bantuan termometer, hukum termodinamik sifar disahkan. Sumber: Pexels.

Prosedur yang sama kemudian diulang dengan sistem B dan T. Sekiranya suhu B ternyata sama dengan suhu A, maka A dan B berada dalam keseimbangan terma. Hasil ini dikenali sebagai prinsip nol atau prinsip sifar Thermodynamics, yang secara formal dinyatakan sebagai berikut:

Dari prinsip ini, kesimpulan berikut:

Oleh itu, dua badan yang bersentuhan termal yang tidak pada suhu yang sama tidak dapat dipertimbangkan dalam keseimbangan termodinamik.

Entropi dan keseimbangan termodinamik

Apa yang mendorong sistem untuk mencapai keseimbangan termal adalah entropi, suatu magnitud yang menunjukkan betapa dekatnya sistem dengan keseimbangan, yang menunjukkan keadaannya yang tidak stabil. Semakin banyak gangguan, semakin banyak entropi, sebaliknya berlaku jika sistem diatur dengan baik, dalam kes ini, entropi menurun.

Keadaan keseimbangan termal adalah keadaan entropi maksimum, yang bermaksud bahawa mana-mana sistem terpencil secara spontan menuju keadaan gangguan yang lebih besar.

Kini, pemindahan tenaga termal dalam sistem diatur oleh perubahan entropi. Mari S menjadi entropi dan marilah kita menunjukkan dengan huruf Yunani "delta" perubahan di dalamnya: ΔS. Perubahan yang membawa sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir didefinisikan sebagai:

Persamaan ini hanya berlaku untuk proses terbalik. Proses di mana sistem dapat kembali sepenuhnya ke keadaan awalnya dan berada dalam keseimbangan termodinamik pada setiap titik di sepanjang jalan.

Contoh sistem dengan peningkatan entropi

- Dalam pemindahan haba dari badan yang lebih panas ke yang lebih sejuk, entropi meningkat sehingga suhu keduanya sama, setelah itu nilainya tetap berterusan jika sistem diasingkan.

- Contoh lain peningkatan entropi adalah pelarutan natrium klorida di dalam air, sehingga mencapai keseimbangan sebaik sahaja garam larut sepenuhnya.

- Dalam pepejal yang mencair, entropi juga meningkat, kerana molekulnya bergerak dari keadaan yang lebih teratur, yang merupakan pepejal, ke yang lebih berantakan sebagai cecair.

- Dalam beberapa jenis kerosakan radioaktif spontan, jumlah zarah yang dihasilkan meningkat dan dengan itu entropi sistem. Dalam kemerosotan lain di mana pemusnahan zarah berlaku, terdapat transformasi dari jisim menjadi tenaga kinetik yang akhirnya menghilangkan haba, dan entropi juga meningkat.

Contoh-contoh seperti itu menyoroti fakta bahawa keseimbangan termodinamik adalah relatif: sistem dapat berada dalam keseimbangan termodinamik secara tempatan, misalnya jika sistem cawan kopi + sudu teh dipertimbangkan.

Walau bagaimanapun, cawan kopi + sudu + sistem persekitaran mungkin tidak berada dalam keseimbangan terma sehingga kopi benar-benar sejuk.

Rujukan

1. Bauer, W. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. Edisi 7 ^ma . Bukit McGraw. 15-25 dan 332-334.
3. Termodinamik. Dipulihkan dari: ugr.es.
4. Universiti Kebangsaan Rosario. Fisikokimia I. Dipulihkan dari: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy dan Hukum Kedua Termodinamik dalam Interaksi Zarah dan Nuklear. Universiti Negeri San Jose. Dipulihkan dari: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Keseimbangan termodinamik. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.