CÂN BẰNG NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC: CÁC LỚP VÀ ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2026

Các trạng thái cân bằng nhiệt động lực học của một hệ thống cô lập được định nghĩa là một trạng thái cân bằng, trong đó các biến đặc trưng cho nó và có thể đo được hoặc tính không trải qua những thay đổi, cho rằng do cô lập của nó không có lực lượng bên ngoài mà có xu hướng thay đổi trạng thái đó. .

Cả hai hệ thống và các loại cân bằng cần xem xét đều rất đa dạng. Một hệ thống có thể là một phòng giam, một cốc nước đá lạnh, một chiếc máy bay chở đầy hành khách, một con người hoặc một thiết bị máy móc, chỉ là một vài ví dụ. Chúng cũng có thể bị cô lập, đóng hoặc mở, tùy thuộc vào việc chúng có thể trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh hay không.

Các thành phần của cocktail ở trạng thái cân bằng nhiệt. Nguồn: Pexels.

Một hệ thống biệt lập không tương tác với môi trường, không có gì xâm nhập hoặc rời khỏi nó. Một hệ thống khép kín có thể trao đổi năng lượng nhưng không quan trọng với môi trường xung quanh. Cuối cùng, hệ thống mở có thể tự do trao đổi với môi trường.

Chà, một hệ cô lập được phép phát triển đủ lâu, có xu hướng tự phát đến trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, trong đó các biến của nó sẽ giữ nguyên giá trị của chúng vô thời hạn. Và khi nó là một hệ thống mở, các giá trị của nó phải giống với các giá trị của môi trường.

Điều này sẽ đạt được miễn là tất cả các điều kiện cân bằng áp đặt cho từng loại cụ thể được thỏa mãn.

Cân bằng các lớp học

Cân bằng nhiệt

Một dạng cân bằng cơ bản là cân bằng nhiệt, có trong nhiều tình huống hàng ngày, chẳng hạn như một tách cà phê nóng và thìa khuấy đường.

Một hệ thống như vậy có xu hướng tự nhiên đạt được cùng một nhiệt độ sau một thời gian nhất định, sau đó trạng thái cân bằng đạt được khi tất cả các bộ phận ở cùng một nhiệt độ.

Khi điều đó xảy ra, có sự chênh lệch nhiệt độ thúc đẩy sự trao đổi nhiệt trong toàn hệ thống. Mỗi hệ có một khoảng thời gian để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt và đạt được nhiệt độ như nhau tại mọi điểm gọi là thời gian giãn.

Cân bằng cơ học

Khi áp suất tại tất cả các điểm trong hệ là không đổi, nó ở trạng thái cân bằng cơ học.

Cân bằng hóa học

Cân bằng hóa học, đôi khi còn được gọi là cân bằng vật chất, đạt được khi thành phần hóa học của một hệ không thay đổi theo thời gian.

Nói chung, một hệ được coi là ở trạng thái cân bằng nhiệt động khi nó ở trạng thái cân bằng nhiệt và cơ học đồng thời.

Các biến nhiệt động lực học và phương trình trạng thái

Các biến được nghiên cứu để phân tích trạng thái cân bằng nhiệt động của một hệ rất đa dạng, thường được sử dụng nhất là áp suất, thể tích, khối lượng và nhiệt độ. Các biến khác bao gồm vị trí, tốc độ và các biến khác mà sự lựa chọn của chúng phụ thuộc vào hệ thống đang nghiên cứu.

Do đó, khi chỉ ra tọa độ của một điểm giúp ta có thể biết chính xác vị trí của nó, biết các biến nhiệt động lực học xác định một cách rõ ràng trạng thái của một hệ thống. Khi hệ thống ở trạng thái cân bằng, các biến số này thỏa mãn mối quan hệ được gọi là phương trình trạng thái.

Phương trình trạng thái là một hàm của các biến nhiệt động lực học có dạng tổng quát là:

Trong đó P là áp suất, V là thể tích và T là nhiệt độ. Đương nhiên, phương trình trạng thái có thể được biểu diễn dưới dạng các biến số khác, nhưng như đã nói trước đây, đây là những biến số được sử dụng nhiều nhất để đặc trưng cho các hệ thống nhiệt động lực học.

Một trong những phương trình trạng thái được biết đến nhiều nhất là của khí lý tưởng PV = nRT. Ở đây n là số mol, nguyên tử hoặc phân tử và R là hằng số Boltzmann: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Cân bằng nhiệt động lực học và định luật 0 của Nhiệt động lực học

Giả sử chúng ta có hai hệ nhiệt động lực học A và B với một nhiệt kế mà chúng ta sẽ gọi là T, được đặt tiếp xúc với hệ A đủ lâu để A và T đạt cùng nhiệt độ. Trong trường hợp này, có thể đảm bảo rằng A và T ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Với sự trợ giúp của nhiệt kế, định luật 0 của nhiệt động lực học đã được xác minh. Nguồn: Pexels.

Quy trình tương tự sau đó được lặp lại với hệ B và T. Nếu nhiệt độ của B giống với nhiệt độ của A thì A và B ở trạng thái cân bằng nhiệt. Kết quả này được gọi là định luật 0 hay nguyên lý 0 của Nhiệt động lực học, được phát biểu chính thức như sau:

Và từ nguyên tắc này, kết luận sau:

Do đó, hai vật thể tiếp xúc nhiệt không cùng nhiệt độ thì không thể coi là ở trạng thái cân bằng nhiệt động.

Entropy và cân bằng nhiệt động lực học

Điều thúc đẩy một hệ thống đạt được trạng thái cân bằng nhiệt là entropi, một cường độ cho biết mức độ gần của hệ thống với trạng thái cân bằng, biểu thị trạng thái không ổn định của nó. Rối loạn càng nhiều, càng có nhiều entropy, điều ngược lại xảy ra nếu một hệ thống rất có trật tự, trong trường hợp này entropi giảm.

Trạng thái cân bằng nhiệt chính xác là trạng thái của entropi cực đại, có nghĩa là bất kỳ hệ cô lập nào cũng đi một cách tự phát đến trạng thái mất trật tự lớn hơn.

Bây giờ, sự truyền nhiệt năng trong hệ thống bị chi phối bởi sự thay đổi entropi của nó. Gọi S là entropi và chúng ta ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp "delta" sự thay đổi trong nó: ΔS. Sự thay đổi đưa hệ thống từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng được định nghĩa là:

Phương trình này chỉ hợp lệ cho các quá trình thuận nghịch. Quá trình trong đó hệ có thể hoàn toàn trở về điều kiện ban đầu và ở trạng thái cân bằng nhiệt động tại mỗi điểm trên đường đi.

Ví dụ về các hệ thống có entropy ngày càng tăng

- Trong sự truyền nhiệt từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn, entropi tăng cho đến khi nhiệt độ của cả hai bằng nhau, sau đó giá trị của nó không đổi nếu hệ cô lập.

- Một ví dụ khác về sự tăng entropi là sự hòa tan của natri clorua trong nước, cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng ngay sau khi muối tan hoàn toàn.

- Trong một chất rắn nóng chảy, entropi cũng tăng lên, vì các phân tử đang chuyển từ trạng thái có trật tự hơn là chất rắn sang trạng thái mất trật tự hơn là chất lỏng.

- Trong một số kiểu phân rã phóng xạ tự phát, số hạt tạo thành tăng lên và kéo theo đó là entropi của hệ. Trong các sự phân rã khác, trong đó xảy ra sự tiêu hủy hạt, có sự chuyển hóa từ khối lượng thành động năng, cuối cùng tỏa nhiệt và entropi cũng tăng lên.

Những ví dụ như vậy làm nổi bật thực tế rằng cân bằng nhiệt động lực học là tương đối: một hệ thống có thể ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học cục bộ, ví dụ nếu coi hệ thống tách cà phê + muỗng cà phê.

Tuy nhiên, cốc cà phê + thìa + hệ thống môi trường có thể không ở trạng thái cân bằng nhiệt cho đến khi cà phê nguội hoàn toàn.

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Nhiệt động lực học. Bản 7 ^ma . Đồi McGraw. 15-25 và 332-334.
3. Nhiệt động lực học. Đã khôi phục từ: ugr.es.
4. Đại học Quốc gia Rosario. Hóa lý I. Đã khôi phục từ: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy và Định luật thứ hai về nhiệt động lực học trong tương tác hạt và hạt nhân. Đại học Bang San Jose. Được khôi phục từ: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Cân bằng nhiệt động lực học. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.