- Classes d'equilibri
- equilibri tèrmic
- equilibri mecànic
- equilibri químic
- Variables termodinàmiques i equació d'estat
- L'equilibri termodinàmic i la llei zero de la termodinàmica
- L'entropia i l'equilibri termodinàmic
- Exemples de sistemes amb entropia en augment
- referències
El equilibri termodinàmic d'un sistema aïllat es defineix com un estat de balanç en el qual les variables que el caracteritzen i que es poden mesurar o calcular no experimenten canvis, atès que per la seva condició d'aïllament no ha forces externes que tendeixin a modificar aquest estat.
Tant els sistemes com les classes d'equilibri a considerar són molt diversos. Un sistema pot ser una cèl·lula, una beguda gelada, un avió ple de passatgers, una persona o un maquinària, per esmentar només uns pocs exemples. També poden ser aïllats, tancats o oberts, depenent de si poden o no intercanviar energia i matèria amb el seu entorn.
Els components de l'còctel estan en equilibri tèrmic. Font: Pexels.
Un sistema aïllat no interacciona amb l'entorn, res entra ni surt d'ell. Un sistema tancat pot intercanviar energia però no matèria amb l'ambient que l'envolta. Finalment, el sistema obert està lliure de realitzar intercanvis amb l'entorn.
Doncs bé, un sistema aïllat a què es deixa evolucionar el temps suficient, tendeix de forma espontània a l'equilibri termodinàmic en el qual les seves variables conservaran indefinidament el seu valor. I quan es tracti d'un sistema obert, els seus valors han de ser els mateixos que els de l'entorn.
Això s'aconseguirà sempre que es satisfacin totes les condicions de l'equilibri imposades per cada tipus en particular.
Classes d'equilibri
equilibri tèrmic
Una classe d'equilibri fonamental és l'equilibri tèrmic, que es fa present en moltes situacions quotidianes, tal com una tassa de cafè calent i la cullereta amb la qual es regira el sucre.
Tal sistema tendeix espontàniament a adquirir la mateixa temperatura passat un cert temps, després del qual arriba l'equilibri a l'estar totes les parts a la mateixa temperatura.
Mentre això succeeix, hi ha una diferència de temperatures que impulsa l'intercanvi de calor a tot el sistema. Cada sistema té un temps per aconseguir l'equilibri tèrmic i arribar a la mateixa temperatura en tots els punts, anomenat temps de relaxació.
equilibri mecànic
Quan la pressió en tots els punts d'un sistema és constant, està en equilibri mecànic.
equilibri químic
L'equilibri químic, anomenat també de vegades equilibri material, s'aconsegueix quan la composició química d'un sistema roman inalterable en el temps.
En general, un sistema es considera en equilibri termodinàmic quan es troba en equilibri tèrmic i mecànic simultàniament.
Variables termodinàmiques i equació d'estat
Les variables que s'estudien per analitzar l'equilibri termodinàmic d'un sistema són diverses, sent les més comunament usades la pressió, el volum, la massa i la temperatura. Altres variables inclouen la posició, la velocitat i altres la selecció depèn de el sistema sota estudi.
Així, com indicar les coordenades d'un punt fa possible conèixer la seva ubicació exacta, conèixer les variables termodinàmiques determina inequívocament l'estat d'un sistema. Una vegada que el sistema es troba en equilibri, aquestes variables satisfan una relació que es coneix com equació d'estat.
L'equació d'estat és una funció de les variables termodinàmiques la forma en general és:
On P és la pressió, V és el volum i T és la temperatura. Naturalment l'equació d'estat pogués expressar-se en termes d'altres variables, però com s'ha dit abans, aquestes són les variables més utilitzades per caracteritzar sistemes termodinàmics.
Una de les equacions d'estat més coneguda és la dels gasos ideals PV = nRT. Aquí n és el nombre de mols, d'àtoms o de molècules i R és la constant de Boltzmann: 1.30 x 10 -23 J / K (Joule / Kelvin).
L'equilibri termodinàmic i la llei zero de la termodinàmica
Suposem que es tenen dos sistemes termodinàmics A i B amb un termòmetre que anomenarem T, el qual es posa en contacte amb el sistema A el temps suficient com perquè A i T arribin a tenir la mateixa temperatura. En aquest cas es pot assegurar que A i T estan en equilibri tèrmic.
Amb ajuda d'un termòmetre es comprova la llei zero de la termodinàmica. Font: Pexels.
A continuació es repeteix el mateix procediment amb el sistema B i T. Si la temperatura de B resulta ser la mateixa que la de A, llavors A i B es troben en equilibri tèrmic. Aquest resultat es coneix com a llei zero o principi zero de la termodinàmica, el qual s'enuncia formalment així:
I a partir d'aquest principi es conclou el següent:
Per això dos cossos en contacte tèrmic que no estiguin a la mateixa temperatura no poden considerar-se en equilibri termodinàmic.
L'entropia i l'equilibri termodinàmic
El que impulsa a un sistema a aconseguir l'equilibri tèrmic és l'entropia, una magnitud que indica que tan proper és el sistema a l'equilibri, sent indicatiu del seu estat de desordre. A major desordre, més entropia hi, passant just el contrari si un sistema és molt ordenat, baixant en aquest cas l'entropia.
L'estat d'equilibri tèrmic és precisament l'estat de màxima entropia, la qual cosa significa que un sistema aïllat qualsevol es dirigeix cap a un estat de major desordre de manera espontània.
Ara bé, la transferència de l'energia tèrmica en el sistema es regeix pel canvi en la seva entropia. Sigui S l'entropia i denotem amb la lletra grega «delta» el canvi en la mateixa: ΔS. El canvi que porta a el sistema d'un estat inicial a un altre final es defineix com:
Aquesta equació és vàlida únicament per a processos reversibles. Procés en el qual el sistema pot retornar íntegrament a les seves condicions inicials i en cada punt de el camí està en equilibri termodinàmic.
Exemples de sistemes amb entropia en augment
- A la transferència de calor des d'un cos més calent a un altre més fred, l'entropia va en augment fins que la temperatura de tots dos sigui la mateixa, després de la qual cosa el seu valor es manté constant si el sistema es troba aïllat.
- Un altre exemple d'entropia en augment és la dissolució de clorur de sodi en aigua, fins a arribar a l'equilibri en quant la sal s'hagi dissolt completament.
- En un sòlid que es fon l'entropia també és creixent, ja que les molècules estan passant d'una situació més ordenada, que és un sòlid, a una altra més desordenada com líquid.
- En alguns tipus de decaïment radioactiu espontani, el nombre de partícules resultant augmenta i amb això l'entropia de el sistema. En altres decaïments en què passa aniquilació de partícules, hi ha transformació de massa a energia cinètica que eventualment dissipa calor, i igualment augmenta l'entropia.
Tals exemples posen de manifest el fet que l'equilibri termodinàmic és relatiu: un sistema pot estar en equilibri termodinàmic localment, per exemple si es considera el sistema tassa de cafè + cullereta.
No obstant això, el sistema tassa de cafè + cullereta + entorn podria no estar en equilibri tèrmic fins que el cafè s'hagi refredat completament.
referències
- Bauer, W. 2011. Física per Enginyeria i Ciències. Volum 1. Mc Graw Hill. 650-672.
- Cengel, I. 2012. termodinàmica. 7 ma Edició. McGraw Hill. 15- 25 i 332-334.
- Termodinàmica. Recobrat de: ugr.es.
- Universitat Nacional de Rosario. Fisicoquímica I. Recobrat de: rephip.unr.edu.ar
- Watkins, T. Entropy and the Second Law of Thermodynamics in Particle and Nuclear Interactions. San Jose State University. Recobrat de: sjsu.edu.
- Wikipedia. Thermodynamic equilibrium. Recobrat de: en.wikipedia.org.