Classes et applications d'équilibre thermodynamique

Il Équilibre thermodynamique À partir d'un système isolé, il est défini comme un état d'équilibre dans lequel les variables qui le caractérisent et qui peuvent être mesurées ou calculées ne subissent pas de changements, car en raison de leur condition d'isolement, il n'y a pas de forces externes qui ont tendance à modifier cet état.

Les systèmes et les classes d'équilibre à considérer sont très divers. Un système peut être une cellule, une boisson glacée, un avion plein de passagers, une personne ou une machine, pour ne mentionner que quelques exemples. Ils peuvent également être isolés, fermés ou ouverts, selon qu'ils peuvent ou non échanger de l'énergie et de l'importance avec leur environnement.

Les composants de cocktail sont en équilibre thermique. Source: Pexels.

UN système isolé Il n'interagit pas avec l'environnement, rien entre ou ne le laisse. UN Système fermé Il peut échanger de l'énergie mais peu importe avec l'environnement environnant. Finalement, le système ouvert est libre d'effectuer des échanges avec l'environnement.

Eh bien, un système isolé qui est autorisé à évoluer suffisamment de temps, tend spontanément à l'équilibre thermodynamique dans lequel ses variables conserveront indéfiniment sa valeur. Et dans le cas d'un système ouvert, ses valeurs doivent être les mêmes que celles de l'environnement.

Ceci sera atteint chaque fois que toutes les conditions d'équilibre imposées par chaque type en particulier sont satisfaites.

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Cours d'équilibrer

Équilibre thermique

Une classe d'équilibre fondamentale est le équilibre thermique, qui est présent dans de nombreuses situations quotidiennes, comme une tasse de café chaud et la cuillère à café avec laquelle le sucre est agité.

Un tel système a tendance à acquérir la même température après un certain temps, après quoi l'équilibre arrive que toutes les pièces sont à la même température.

Bien que cela se produise, il y a une différence de température qui entraîne un échange de chaleur dans tout le système. Chaque système a le temps d'atteindre l'équilibre thermique et d'atteindre la même température à tous les points, appelés temps de relaxation.

Équilibre mécanique

Lorsque la pression à tous les points d'un système est constante, elle est en équilibre mécanique.

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Équilibre chimique

Il équilibre chimique, Aussi parfois appelé bilan matériel, Il est atteint lorsque la composition chimique d'un système reste inaltérable dans le temps.

En général, un système est considéré en équilibre thermodynamique lorsqu'il est en équilibre thermique et mécanique simultanément.

Variables thermodynamiques et équation d'état

Les variables étudiées pour analyser l'équilibre thermodynamique d'un système sont diverses, la pression, le volume, la masse et la température les plus couramment utilisées étant les plus couramment utilisées. Les autres variables incluent la position, la vitesse et d'autres dont la sélection dépend du système à l'étude.

Ainsi, comment indiquer les coordonnées d'un point. Une fois le système en équilibre, ces variables satisfont une relation connue sous le nom Équation d'État.

L'équation de l'État est fonction des variables thermodynamiques dont la forme en général est:

f (p, v, t) = 0

Où p est la pression, v est le volume et t est la température. Naturellement, l'équation de l'État pourrait être exprimée en termes d'autres variables, mais comme cela a été dit auparavant, ce sont les variables les plus utilisées pour caractériser les systèmes thermodynamiques.

L'une des équations d'État les plus connues est celle des gaz idéaux PV = NRT. Ici n C'est le nombre de moles, d'atomes ou de molécules et R C'est la constante de Boltzmann: 1.30 x 10^-23 J / K (Joule / Kelvin).

L'équilibre thermodynamique et la loi zéro de la thermodynamique

Supposons qu'il existe deux systèmes thermodynamiques A et B avec un thermomètre que nous appellerons T, ce qui met en contact avec le système suffisamment pour que A et T aient la même température. Dans ce cas, il peut être assuré que A et T sont en équilibre thermique.

Peut vous servir: ballon aérostatique: histoire, caractéristiques, parties, comment cela fonctionneÀ l'aide d'un thermomètre, la loi zéro de la thermodynamique est prouvée. Source: Pexels.

La même procédure avec le système B et T est répétée ci-dessous. Si la température de B se révèle être la même que celle de A, alors A et B sont en équilibre thermique. Ce résultat est connu sous le nom de loi nulle ou zéro principe de thermodynamique, qui est officiellement énoncé:

Si deux systèmes A et B sont en équilibre thermique chacun indépendamment avec un troisième système T, il est possible d'affirmer que A et B sont en équilibre thermique l'un avec l'autre.

Et à partir de ce principe, ce qui suit est conclu:

Un système est en équilibre thermodynamique lorsque toutes ses pièces sont à la même température.

Par conséquent, deux corps en contact thermique qui ne sont pas à la même température ne peuvent pas être pris en compte dans l'équilibre thermodynamique.

Entropie et équilibre thermodynamique

Ce qui motive un système pour atteindre l'équilibre thermique est Entropie, Une amplitude qui indique à quel point le système est proche de l'équilibre, indiquant son trouble. Plus le trouble est grand, il y a plus d'entropie, l'inverse se produit si un système est très commandé, descendant dans ce cas l'entropie.

L'état de l'équilibre thermique est précisément l'état de l'entropie maximale, ce qui signifie que tout système isolé est dirigé vers un état de plus grand trouble spontanément.

Maintenant, le transfert d'énergie thermique dans le système est régi par le changement dans son entropie. Laissez l'entropie et désigne la lettre grecque "Delta" le changement: ΔS. Le changement qui conduit au système d'un état initial à une autre extrémité est défini comme:

Où q est la quantité de chaleur (en joules) et t est la température (en Kelvin), de sorte que les unités SI (système international) pour l'entropie et le changement d'entropie sont Joules / Kelvin (J / K).

Il peut vous servir: variable discrète: caractéristiques et exemples

Cette équation est valable uniquement pour les processus réversibles. Processus dans lequel le système peut revenir entièrement à ses conditions initiales et à chaque point de la route, il est en équilibre thermodynamique.

Exemples de systèmes avec une entropie croissante

- Dans le transfert de chaleur d'un corps plus chaud à un corps plus froid, l'entropie augmente jusqu'à ce que la température soit la même, après quoi sa valeur reste constante si le système est isolé.

- Un autre exemple de l'entropie croissante est la solution de chlorure de sodium dans l'eau, jusqu'à atteindre l'équilibre car le sel s'est complètement dissous.

- Dans un solide qui fond, l'entropie augmente également, car les molécules vont d'une situation plus ordonnée, ce qui est solide, à un liquide plus désordonné.

- Dans certains types de décroissance radioactive spontanée, le nombre de particules résultant augmente et avec elle l'entropie du système. Dans d'autres déclins dans lesquels une annihilation des particules se produit, il y a une transformation de masse en énergie cinétique qui finit par dissiper la chaleur et augmente également l'entropie.

De tels exemples montrent le fait que l'équilibre thermodynamique est relatif: un système peut être en équilibre thermodynamique localement, par exemple si le système de cuillère à café de tasse de café + est considéré.

Cependant, la tasse de café + la cuillère à café + le système d'environnement ne pouvait pas être en équilibre thermique jusqu'à ce que le café se refroidit complètement.

Les références

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