THERMODYNAMISCH EVENWICHT: KLASSEN EN TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2026

Het thermodynamische 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 zijn isolatie 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.

De componenten van de cocktail zijn in thermisch evenwicht. Bron: Pexels.

Een geïsoleerd systeem heeft geen interactie met de omgeving, niets komt of verlaat het. Een gesloten systeem kan energie uitwisselen, maar doet er niet toe met de omgeving. Ten slotte is het open systeem 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 zolang aan alle evenwichtsvoorwaarden wordt voldaan die door elk bepaald type worden opgelegd.

Evenwichtsklassen

Thermisch evenwicht

Een soort fundamenteel evenwicht is thermisch evenwicht, dat in veel alledaagse situaties aanwezig is, 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 er een evenwicht ontstaat 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 op alle punten dezelfde temperatuur te bereiken, de zogenaamde relaxatietijd.

Mechanisch evenwicht

Wanneer de druk op alle punten in een systeem constant is, is het in mechanisch evenwicht.

Chemisch evenwicht

Chemisch evenwicht, ook wel materiaalevenwicht genoemd, 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.

Thermodynamische variabelen en toestandsvergelijking

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.

Aangezien 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 de toestandsvergelijking.

De toestandsvergelijking is een functie van de thermodynamische variabelen waarvan de algemene vorm is:

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 de ideale gassen PV = nRT. Hier is n het aantal mol, atomen of moleculen en R is de constante van Boltzmann: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Thermodynamisch evenwicht en de nulwet van de thermodynamica

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 zo'n geval kan ervoor worden gezorgd dat A en T in thermisch evenwicht zijn.

Met behulp van een thermometer wordt de nulwet van de thermodynamica geverifieerd. Bron: Pexels.

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:

En uit dit principe wordt het volgende geconcludeerd:

Daarom kunnen twee lichamen die in thermisch contact zijn en die niet dezelfde temperatuur hebben, niet als thermodynamisch evenwicht worden beschouwd.

Entropie en thermodynamisch evenwicht

Wat een systeem drijft om thermisch evenwicht te bereiken, is entropie, een grootte die aangeeft hoe dicht het systeem bij evenwicht is, wat de staat van wanorde aangeeft. Hoe meer wanorde, hoe meer entropie er is, juist het tegenovergestelde treedt op 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 met de Griekse letter "delta" de verandering daarin aanduiden: ΔS. 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 onderweg in thermodynamisch evenwicht is.

Voorbeelden van systemen met toenemende entropie

- Bij de overdracht van warmte van een heter 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 wordt 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, namelijk een vaste stof, naar een meer ongeordende toestand als 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 entropie neemt ook toe.

Zulke voorbeelden benadrukken het feit dat thermodynamisch evenwicht relatief is: een systeem kan lokaal in thermodynamisch evenwicht zijn, bijvoorbeeld als het kopje koffie + theelepelsysteem wordt beschouwd.

Het koffiekopje + lepel + klimaatsysteem is echter mogelijk pas in thermisch evenwicht als de koffie volledig is afgekoeld.

Referenties

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Deel 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamica. 7 ^ma editie. McGraw Hill. 15-25 en 332-334.
3. Thermodynamica. Hersteld van: ugr.es.
4. Nationale Universiteit van Rosario. Fysisch-chemische I. Hersteld van: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropie en de tweede wet van de thermodynamica in deeltjes- en nucleaire interacties. San Jose State University. Hersteld van: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Thermodynamisch evenwicht. Hersteld van: en.wikipedia.org.