שיווי משקל תרמודינמי: שיעורים ויישומים - גוּפָנִי - 2025

שיווי משקל תרמודינמי של מערכת מבודדת מוגדרת כמדינה של איזון שבו המשתנים שמאפיינים אותו וכי ניתן למדוד או לחשב אינם עוברים שינויים, בהתחשב בעובדה בשל בידודה אין כוחות חיצוניים אשר נוטים לשנות מצב זה. .

גם המערכות וגם שיעורי שיווי המשקל שיש לקחת בחשבון מגוונים מאוד. מערכת יכולה להיות תא, משקה קר כקרח, מטוס מלא בנוסעים, אדם או כלי מכונות, כדי להזכיר רק כמה דוגמאות. הם יכולים גם להיות מבודדים, סגורים או פתוחים, תלוי אם הם יכולים להחליף אנרגיה וחומר עם סביבתם.

מרכיבי הקוקטייל נמצאים בשיווי משקל תרמי. מקור: Pexels.

מערכת מבודדת אינה מתקשרת עם הסביבה, שום דבר לא נכנס או עוזב אותה. מערכת סגורה יכולה להחליף אנרגיה אך לא משנה עם הסביבה הסובבת אותה. לבסוף, המערכת הפתוחה חופשית לבצע חילופי דברים עם הסביבה.

ובכן, מערכת מבודדת שמותרת להתפתח מספיק זמן, נוטה באופן ספונטני לשיווי משקל תרמודינמי בו המשתנים שלה ישמרו על ערכם ללא הגבלת זמן. וכאשר מדובר במערכת פתוחה, ערכיה חייבים להיות זהים לערכי הסביבה.

זה יושג כל עוד מתקיימים כל תנאי שיווי המשקל שהוטלו על ידי כל סוג מסוים.

שיעורי איזון

שיווי משקל תרמי

סוג אחד של שיווי משקל בסיסי הוא שיווי משקל תרמי, המצוי במצבים יומיומיים רבים, כמו כוס קפה חם וכף איתה מערבבים את הסוכר.

מערכת כזו נוטה באופן ספונטני להשיג את אותה טמפרטורה לאחר זמן מסוים, שלאחריה מגיע שיווי משקל שכן כל החלקים באותה טמפרטורה.

בזמן שזה קורה, ישנו הבדל טמפרטורה שמניע את חילופי החום בכל המערכת. לכל מערכת יש זמן להשיג שיווי משקל תרמי ולהגיע לאותה טמפרטורה בכל הנקודות, המכונה זמן הרגיעה.

איזון מכני

כאשר הלחץ בכל הנקודות במערכת הוא קבוע, הוא נמצא בשיווי משקל מכני.

איזון כימי

שיווי משקל כימי, המכונה לעתים גם שיווי משקל חומרי, מושג כאשר ההרכב הכימי של מערכת נותר ללא שינוי לאורך זמן.

באופן כללי, מערכת נחשבת בשיווי משקל תרמודינמי כאשר היא נמצאת בשיווי משקל תרמי ומכני בו זמנית.

משתנים תרמודינמיים ומשוואת מצב

המשתנים הנחקרים לניתוח שיווי המשקל התרמודינמי של מערכת הם מגוונים, כאשר הנפוץ ביותר הוא לחץ, נפח, מסה וטמפרטורה. משתנים אחרים כוללים מיקום, מהירות ואחרים שבחירתם תלויה במערכת הנחקרת.

כך, כפי שהצביע על קואורדינטות של נקודה מאפשר לדעת את מיקומה המדויק, הידיעה על המשתנים התרמודינמיים קובעת באופן חד משמעי את מצבה של מערכת. ברגע שהמערכת נמצאת בשיווי משקל, משתנים אלה מספקים מערכת יחסים המכונה משוואת המדינה.

משוואת המצב היא פונקציה של המשתנים התרמודינמיים שצורתם הכללית היא:

כאשר P הוא לחץ, V הוא נפח, ו- T הוא טמפרטורה. באופן טבעי משוואת המצב יכולה לבוא לידי ביטוי במונחים של משתנים אחרים, אך כאמור, אלה הם המשתנים המשמשים ביותר לאפיון מערכות תרמודינמיות.

אחת המשוואות הידועות ביותר של המדינה היא זו של הגזים האידיאליים PV = nRT. כאן n הוא מספר השומות, האטומים או המולקולות ו- R הוא הקבוע של בולצמן: 1.30 x ^10-23 J / K (ז'ול / קלווין).

שיווי משקל תרמודינמי וחוק האפס של התרמודינמיקה

נניח שיש לנו שתי מערכות תרמודינמיות A ו- B עם מדחום שנקרא T, אשר מכניסים אותנו למערכת A מספיק זמן כדי ש- A ו- T יגיעו לאותה טמפרטורה. במקרה כזה ניתן להבטיח כי A ו- T נמצאים בשיווי משקל תרמי.

בעזרת מדחום מאומת החוק האפס של התרמודינמיקה. מקור: Pexels.

לאחר מכן חוזרים על אותו פרוצדורה עם מערכת B ו- T. אם הטמפרטורה של B מתבררת זהה לזו של A, אז A ו- B נמצאים בשיווי משקל תרמי. תוצאה זו ידועה כחוק האפס או עקרון האפס של התרמודינמיקה, אשר נאמר רשמית באופן הבא:

ומעקרון זה מסתיים הדברים הבאים:

לכן שני גופים במגע תרמי שאינם באותה טמפרטורה אינם יכולים להיחשב בשיווי משקל תרמודינמי.

האנטרופיה והשיווי המשקל התרמודינמי

מה שמניע מערכת להשיג שיווי משקל תרמי הוא אנטרופיה, גודל שמעיד על כמה קרובה המערכת לשיווי משקל, והיא מעידה על מצב הפרעה שלה. ככל שיש יותר הפרעה, כך יש יותר אנטרופיה, בדיוק ההפך מתרחש אם מערכת מסודרת מאוד, במקרה זה האנטרופיה פוחתת.

מצב שיווי המשקל התרמי הוא בדיוק מצב האנטרופיה המרבית, מה שאומר שכל מערכת מבודדת הולכת באופן ספונטני לעבר מצב של הפרעה גדולה יותר.

כעת, העברת האנרגיה התרמית במערכת נשלטת על ידי שינוי האנטרופיה שלה. בואו להיות S האנטרופיה ובואו לציין עם האות היוונית "דלתא" את השינוי בה: ΔS. השינוי שלוקח את המערכת ממצב התחלתי למצב סופי מוגדר כ:

משוואה זו תקפה רק לתהליכים הפיכים. תהליך בו המערכת יכולה לחזור במלואה לתנאיו הראשוניים ונמצאת בשיווי משקל תרמודינמי בכל נקודה לאורך הדרך.

דוגמאות למערכות עם אנטרופיה הולכת וגוברת

- בהעברת חום מגוף חם לגוף קר יותר האנטרופיה עולה עד שהטמפרטורה של שניהם זהה, לאחר מכן ערכה נשאר קבוע אם המערכת מבודדת.

- דוגמא נוספת להגברת האנטרופיה היא פירוק נתרן כלורי במים, עד שהגיע לשיווי משקל ברגע שהמלח נמס לחלוטין.

- במוצק שנמס, האנטרופיה גוברת אף היא, מכיוון שהמולקולות עוברות ממצב מסודר יותר, שהוא מוצק, למצב שאינו מופרד יותר כנוזל.

- בסוגים מסוימים של ריקבון רדיואקטיבי ספונטני, מספר החלקיקים הנוצר כתוצאה ממנו עולה ואיתו האנטרופיה של המערכת. בהתפרקויות אחרות בהן מתרחש השמדת החלקיקים, יש טרנספורמציה ממסה לאנרגיה קינטית שמפזרת בסופו של דבר חום, וגם האנטרופיה עולה.

דוגמאות כאלה מדגישות את העובדה כי שיווי משקל תרמודינמי הוא יחסי: מערכת יכולה להיות בשיווי משקל תרמודינמי באופן מקומי, למשל אם לוקחים בחשבון את כוס הקפה + מערכת כפית.

עם זאת, ייתכן שספל הקפה + הכף + הסביבה לא נמצא בשיווי משקל תרמי עד שהקפה התקרר לחלוטין.

הפניות

1. Bauer, W. 2011. פיזיקה להנדסה ומדעים. כרך 1. מק גריי היל. 650-672.
2. סנגל, י. 2012. תרמודינמיקה. מהדורה 7 ^מא . מקגרו היל. 15-25 ו- 332-334.
3. תֶרמוֹדִינָמִיקָה. התאושש מ: ugr.es.
4. האוניברסיטה הלאומית של רוסאריו. פיזיוכימיה א. התאושש מ: rephip.unr.edu.ar
5. ווטקינס, ט. אנטרופי והחוק השני של תרמודינמיקה באינטראקציות בין חלקיקים וגרעיניים. אוניברסיטת סן חוזה סטייט. התאושש מ: sjsu.edu.
6. ויקיפדיה. שיווי משקל תרמודינמי. התאושש מ: en.wikipedia.org.