분리 된 시스템 의 열역학적 평형 은 분리로 인해 해당 상태를 수정하는 경향이있는 외부 힘이 없기 때문에이를 특성화하고 측정하거나 계산할 수있는 변수가 변경되지 않는 균형 상태로 정의됩니다. .
고려해야 할 시스템과 평형 등급은 모두 매우 다양합니다. 시스템은 셀, 얼음처럼 차가운 음료수, 승객으로 가득 찬 비행기, 사람 또는 기계 부품이 될 수 있습니다. 또한 주변과 에너지 및 물질을 교환 할 수 있는지 여부에 따라 격리되거나 닫히거나 열릴 수 있습니다.
칵테일의 성분은 열 평형 상태입니다. 출처 : Pexels.
격리 된 시스템은 환경과 상호 작용하지 않으며 환경에 들어 오거나 나가지 않습니다. 폐쇄 형 시스템은 에너지를 교환 할 수 있지만 주변 환경과는 상관이 없습니다. 마지막으로 개방형 시스템은 환경과 자유롭게 교류 할 수 있습니다.
글쎄요, 충분히 오래 진화 할 수있는 고립 된 시스템은 그 변수가 그 값을 무기한 유지하는 열역학적 평형에 자발적으로 도달하는 경향이 있습니다. 그리고 그것이 개방형 시스템 일 때 그 가치는 환경의 가치와 동일해야합니다.
이는 각 특정 유형에 의해 부과 된 모든 평형 조건이 충족되는 한 달성됩니다.
밸런스 클래스
열 평형
기본적인 평형의 한 종류는 열 평형으로, 뜨거운 커피 한잔과 설탕을 섞는 숟가락과 같은 많은 일상 상황에서 존재합니다.
이러한 시스템은 일정 시간이 지나면 자발적으로 동일한 온도를 획득하는 경향이 있으며 그 후 모든 부품이 동일한 온도에 있기 때문에 평형에 도달합니다.
그렇게되면 시스템 전체에서 열 교환을 유도하는 온도 차이가 있습니다. 각 시스템에는 열 평형을 달성하고 모든 지점에서 동일한 온도에 도달하는 시간이 있습니다.이를 이완 시간이라고합니다.
기계적 균형
시스템의 모든 지점에서 압력이 일정하면 기계적 평형을 이룹니다.
화학적 균형
물질 평형이라고도하는 화학적 평형은 시스템의 화학적 구성이 시간이 지남에 따라 변하지 않을 때 도달합니다.
일반적으로 시스템은 열적 평형과 기계적 평형이 동시에있을 때 열역학적 평형으로 간주됩니다.
열역학적 변수 및 상태 방정식
시스템의 열역학적 평형을 분석하기 위해 연구되는 변수는 다양하며 가장 일반적으로 사용되는 변수는 압력, 부피, 질량 및 온도입니다. 다른 변수에는 위치, 속도 및 연구중인 시스템에 따라 선택되는 기타 변수가 포함됩니다.
따라서 점의 좌표를 표시하면 정확한 위치를 알 수 있으므로 열역학적 변수를 아는 것이 시스템의 상태를 명확하게 결정합니다. 시스템이 평형 상태가되면 이러한 변수는 상태 방정식이라는 관계를 충족합니다.
상태 방정식은 일반적인 형식이 다음과 같은 열역학적 변수의 함수입니다.
여기서 P는 압력, V는 부피, T는 온도입니다. 당연히 상태 방정식은 다른 변수로 표현 될 수 있지만, 앞서 말했듯이 열역학 시스템을 특성화하는 데 가장 많이 사용되는 변수입니다.
가장 잘 알려진 상태 방정식 중 하나는 이상 기체 PV = nRT의 방정식입니다. 여기서 n은 몰, 원자 또는 분자의 수이고 R은 볼츠만 상수 : 1.30 x 10 -23 J / K (줄 / 켈빈)입니다.
열역학 평형과 열역학 제로 법칙
T라고 부르는 온도계가있는 두 개의 열역학 시스템 A와 B가 있다고 가정 해 보겠습니다. 온도계는 A와 T가 동일한 온도에 도달 할 수있을만큼 충분히 오랫동안 시스템 A와 접촉합니다. 이러한 경우 A와 T가 열 평형 상태임을 확인할 수 있습니다.
온도계의 도움으로 열역학 제로 법칙이 검증됩니다. 출처 : Pexels.
그런 다음 시스템 B와 T에 대해 동일한 절차가 반복됩니다. B의 온도가 A의 온도와 같으면 A와 B는 열 평형 상태에 있습니다. 이 결과는 열역학의 제로 법칙 또는 제로 원리로 알려져 있으며 공식적으로 다음과 같이 명시됩니다.
그리고이 원칙으로부터 다음과 같은 결론이 내려집니다.
따라서 동일한 온도에 있지 않은 두 개의 열 접촉 물체는 열역학적 평형에서 고려할 수 없습니다.
엔트로피와 열역학적 평형
시스템이 열 평형을 달성하도록하는 것은 시스템이 평형에 얼마나 가까운지를 나타내는 크기 인 엔트로피이며, 이는 무질서 상태를 나타냅니다. 무질서가 많을수록 엔트로피가 많으며 시스템이 매우 정렬되어 있으면 그 반대가 발생합니다.이 경우 엔트로피가 감소합니다.
열 평형 상태는 정확히 최대 엔트로피 상태입니다. 즉, 고립 된 시스템은 자발적으로 더 큰 무질서 상태로 이동합니다.
이제 시스템의 열 에너지 전달은 엔트로피의 변화에 의해 제어됩니다. S를 엔트로피로하고 그리스 문자 "델타"를 사용하여 그 변화를 나타냅니다. ΔS. 시스템을 초기 상태에서 최종 상태로 전환하는 변경은 다음과 같이 정의됩니다.
이 방정식은 가역적 프로세스에만 유효합니다. 시스템이 초기 조건으로 완전히 돌아갈 수 있고 도중에 각 지점에서 열역학적 평형 상태에있는 프로세스입니다.
엔트로피가 증가하는 시스템의 예
-더 뜨거운 물체에서 더 차가운 물체로 열을 전달하는 과정에서 엔트로피는 둘 다 온도가 같아 질 때까지 증가하고 시스템이 분리되어 있으면 그 값이 일정하게 유지됩니다.
-엔트로피 증가의 또 다른 예는 소금이 완전히 용해 되 자마자 평형에 도달 할 때까지 염화나트륨을 물에 용해시키는 것입니다.
-녹는 고체에서 분자가 더 질서있는 상황 (고체)에서 액체처럼 더 무질서한 상황으로 이동하기 때문에 엔트로피도 증가합니다.
-일부 유형의 자발적 방사성 붕괴에서는 입자 수가 증가하고 그에 따라 시스템의 엔트로피가 증가합니다. 입자 소멸이 발생하는 다른 붕괴에서는 질량에서 운동 에너지로 변환되어 결국 열을 발산하고 엔트로피도 증가합니다.
이러한 예는 열역학적 평형이 상대적이라는 사실을 강조합니다. 예를 들어 커피 한잔 + 티스푼 시스템을 고려하는 경우 시스템은 국지적으로 열역학적 평형에있을 수 있습니다.
그러나 커피 컵 + 스푼 + 환경 시스템은 커피가 완전히 식을 때까지 열 평형 상태에 있지 않을 수 있습니다.
참고 문헌
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