Classes e aplicações de equilíbrio termodinâmico

Ele Equilíbrio termodinâmico De um sistema isolado, é definido como um estado de equilíbrio no qual as variáveis ​​que o caracterizam e que podem ser medidas ou calculadas não experimentam mudanças, pois devido à sua condição de isolamento, não há forças externas que tendem a modificar esse estado.

Os sistemas e as classes de equilíbrio a serem considerados são muito diversos. Um sistema pode ser uma célula, uma bebida gelada, um avião cheio de passageiros, uma pessoa ou uma maquinaria, para mencionar apenas alguns exemplos. Eles também podem ser isolados, fechados ou abertos, dependendo se podem ou não trocar energia e matéria com seu ambiente.

Componentes de coquetel estão em equilíbrio térmico. Fonte: pexels.

A sistema isolado Não interage com o meio ambiente, nada entra ou deixa. A sistema fechado Pode trocar energia, mas não importa com o ambiente circundante. finalmente, o sistema aberto é livre para executar trocas com o meio ambiente.

Bem, um sistema isolado que pode evoluir tempo suficiente, tende espontaneamente ao equilíbrio termodinâmico no qual suas variáveis ​​reterão indefinidamente seu valor. E no caso de um sistema aberto, seus valores devem ser os mesmos que os do ambiente.

Isso será alcançado sempre que todas as condições de equilíbrio impostas por cada tipo em particular forem satisfeitas.

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Classes de equilíbrio

Equilíbrio térmico

Uma classe de equilíbrio fundamental é a Equilíbrio térmico, que está presente em muitas situações cotidianas, como uma xícara de café quente e a colher de chá com a qual o açúcar é agitado.

Esse sistema tende espontaneamente a adquirir a mesma temperatura após um certo tempo, após o qual o saldo chega quando todas as partes estão na mesma temperatura.

Enquanto isso acontece, há uma diferença de temperatura que impulsiona a troca de calor em todo o sistema. Cada sistema tem tempo para alcançar o equilíbrio térmico e atingir a mesma temperatura em todos os pontos, chamados tempo de relaxamento.

Equilíbrio mecânico

Quando a pressão em todos os pontos de um sistema é constante, está em equilíbrio mecânico.

Pode atendê -lo: densidade

Equilíbrio químico

Ele Equilíbrio químico, Também chamado às vezes balanço do material, É alcançado quando a composição química de um sistema permanece inalterável ao longo do tempo.

Em geral, um sistema é considerado em equilíbrio termodinâmico quando está em equilíbrio térmico e mecânico simultaneamente.

Variáveis ​​termodinâmicas e equação de estado

As variáveis ​​estudadas para analisar o equilíbrio termodinâmico de um sistema são diversas, a mais comumente usada a pressão, volume, massa e temperatura sendo os mais comumente usados. Outras variáveis ​​incluem a posição, velocidade e outros cuja seleção depende do sistema em estudo.

Assim, como indicar as coordenadas de um ponto torna possível. Uma vez que o sistema está em equilíbrio, essas variáveis ​​satisfazem um relacionamento conhecido como Equação do Estado.

A equação do estado é uma função das variáveis ​​termodinâmicas cuja forma em geral é:

f (p, v, t) = 0

Onde p é a pressão, v é o volume e t é a temperatura. Naturalmente, a equação do estado pode ser expressa em termos de outras variáveis, mas como já foi dito antes, essas são as variáveis ​​mais usadas para caracterizar sistemas termodinâmicos.

Uma das equações de estado mais conhecidas é a dos gases ideais PV = nrt. Aqui n É o número de toupeiras, átomos ou moléculas e R É constante de Boltzmann: 1.30 x 10^-23 J/K (Joule/Kelvin).

O equilíbrio termodinâmico e a lei zero da termodinâmica

Suponha que haja dois sistemas termodinâmicos A e B com um termômetro que chamaremos de T, que coloca contato com o sistema na época suficiente para que A e T tenham a mesma temperatura. Nesse caso, pode -se garantir que A e T estejam em equilíbrio térmico.

Pode servir a você: balão aerostático: história, características, partes, como funcionaCom a ajuda de um termômetro, a lei zero da termodinâmica é comprovada. Fonte: pexels.

O mesmo procedimento com o sistema B e T é repetido abaixo. Se a temperatura de B acabou sendo a mesma que a de A, então A e B estão em equilíbrio térmico. Este resultado é conhecido como lei zero ou princípio zero da termodinâmica, que é formalmente declarada:

Se dois sistemas A e B estiverem em equilíbrio térmico cada um independentemente com um terceiro sistema T, é possível afirmar que A e B estão em equilíbrio térmico entre si.

E a partir deste princípio, o seguinte conclui:

Um sistema está em equilíbrio termodinâmico quando todas as suas partes estão na mesma temperatura.

Portanto, dois corpos em contato térmico que não estão na mesma temperatura não podem ser considerados em equilíbrio termodinâmico.

Entropia e equilíbrio termodinâmico

O que impulsiona um sistema para alcançar o equilíbrio térmico é Entropia, Uma magnitude que indica o quão perto o sistema está de equilíbrio, sendo indicativo de seu distúrbio. Quanto maior o distúrbio, há mais entropia, o oposto está acontecendo se um sistema for muito ordenado, diminuindo neste caso a entropia.

O status do equilíbrio térmico é precisamente o estado da entropia máxima, o que significa que qualquer sistema isolado é direcionado para um estado de maior desordem espontaneamente espontaneamente.

Agora, a transferência de energia térmica no sistema é governada pela mudança em sua entropia. Deixe a entropia e denotar com a letra grega "delta" a mudança nela: ΔS. A mudança que leva ao sistema de um estado inicial para outra extremidade é definida como:

Onde Q é a quantidade de calor (em Joules) e T é a temperatura (em Kelvin), de modo que as unidades SI (Sistema Internacional) para entropia e mudança de entropia são Joules/Kelvin (J/K).

Pode servir a você: variável discreta: características e exemplos

Esta equação é válida apenas para processos reversíveis. Processo no qual o sistema pode retornar completamente às suas condições iniciais e em cada ponto da estrada está em equilíbrio termodinâmico.

Exemplos de sistemas com crescente entropia

- Na transferência de calor de um corpo mais quente para um corpo mais frio, a entropia está aumentando até que a temperatura seja a mesma, após o que seu valor permanecer constante se o sistema for isolado.

- Outro exemplo de entropia crescente é a solução de cloreto de sódio na água, até atingir o equilíbrio à medida que o sal se dissolveu completamente.

- Em um sólido que derrete a entropia também está aumentando, uma vez que as moléculas estão indo de uma situação mais ordenada, que é sólida, para um líquido mais desordenado.

- Em alguns tipos de decaimento radioativo espontâneo, o número resultante de partículas aumenta e com ela a entropia do sistema. Em outros declínios em que a aniquilação de partículas ocorre, há transformação em massa em energia cinética que eventualmente dissipa o calor e também aumenta a entropia.

Tais exemplos mostram o fato de que o equilíbrio termodinâmico é relativo: um sistema pode estar em equilíbrio termodinâmico localmente, por exemplo, se a xícara de café + colher de chá for considerada.

No entanto, a xícara de café + colher de chá + sistema de ambiente não poderia estar em equilíbrio térmico até que o café se refresque completamente.

Referências

1. Bauer, w. 2011. Física para engenharia e ciências. Volume 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, e. 2012. Termodinâmica. 7^MA Edição. McGraw Hill. 15-25 e 332-334.
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4. Universidade Nacional de Rosario. Fisioquímica i. Recuperado de: Rechip.a r.Edu.ar
5. Watkins, t. Entropia e a segunda lei da termodinâmica em interações partidárias e nucleares. Universidade Estadual de San Jose. Recuperado de: sjsu.Edu.
6. Wikipedia. Equilíbrio temodinâmico. Recuperado de: em.Wikipedia.org.