สมดุลทางอุณหพลศาสตร์: คลาสและการใช้งาน - กายภาพ - 2026

สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบบางแห่งถูกกำหนดให้เป็นรัฐของความสมดุลในการที่ตัวแปรที่เป็นลักษณะมันและที่สามารถวัดหรือคำนวณไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงตั้งแต่เนื่องจากการแยกไม่มีกองกำลังภายนอกที่มีแนวโน้มที่จะปรับเปลี่ยนสถานะนี้ .

ทั้งระบบและชั้นเรียนของดุลยภาพที่ต้องพิจารณามีความหลากหลายมาก ระบบอาจเป็นเซลล์เครื่องดื่มเย็น ๆ เครื่องบินที่เต็มไปด้วยผู้โดยสารคนหรือเครื่องจักรเพื่อบอกชื่อตัวอย่างเพียงเล็กน้อย นอกจากนี้ยังสามารถแยกปิดหรือเปิดขึ้นอยู่กับว่าพวกเขาสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานและสสารกับสภาพแวดล้อมได้หรือไม่

ส่วนประกอบของค็อกเทลอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน ที่มา: Pexels

ระบบที่แยกไม่ได้โต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมไม่มีสิ่งใดเข้าหรือออกจากระบบ ระบบปิดสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานได้ แต่ไม่สำคัญกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ สุดท้ายระบบเปิดมีอิสระที่จะแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อม

ระบบแยกที่ได้รับอนุญาตให้พัฒนานานพอโดยธรรมชาติมีแนวโน้มที่จะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งตัวแปรของมันจะคงคุณค่าไว้อย่างไม่มีกำหนด และเมื่อเป็นระบบเปิดค่าของมันจะต้องเหมือนกับของสิ่งแวดล้อม

สิ่งนี้จะทำได้ตราบเท่าที่เงื่อนไขสมดุลทั้งหมดที่กำหนดโดยแต่ละประเภทมีความพึงพอใจ

ปรับสมดุลชั้นเรียน

สมดุลทางความร้อน

ดุลยภาพพื้นฐานประเภทหนึ่งคือสมดุลทางความร้อนซึ่งมีอยู่ในสถานการณ์ประจำวันหลายอย่างเช่นกาแฟร้อนหนึ่งถ้วยและช้อนที่มีการกวนน้ำตาล

ระบบดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะได้รับอุณหภูมิเดียวกันตามธรรมชาติในช่วงเวลาหนึ่งหลังจากนั้นความสมดุลจะมาถึงเนื่องจากชิ้นส่วนทั้งหมดอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน

เมื่อเกิดเหตุการณ์เช่นนี้มีความแตกต่างของอุณหภูมิที่ขับเคลื่อนการแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วทั้งระบบ แต่ละระบบมีเวลาในการบรรลุสมดุลทางความร้อนและถึงอุณหภูมิเท่ากันทุกจุดเรียกว่าเวลาผ่อนคลาย

สมดุลกล

เมื่อความดันทุกจุดในระบบคงที่แสดงว่าอยู่ในสมดุลเชิงกล

สมดุลทางเคมี

สมดุลทางเคมีหรือบางครั้งเรียกว่าสมดุลของวัสดุเมื่อองค์ประกอบทางเคมีของระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

โดยทั่วไประบบจะถือว่าอยู่ในดุลยภาพทางอุณหพลศาสตร์เมื่ออยู่ในสมดุลทางความร้อนและเชิงกลพร้อมกัน

ตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์และสมการสถานะ

ตัวแปรที่ศึกษาเพื่อวิเคราะห์สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบมีความหลากหลายโดยที่นิยมใช้มากที่สุด ได้แก่ ความดันปริมาตรมวลและอุณหภูมิ ตัวแปรอื่น ๆ ได้แก่ ตำแหน่งความเร็วและอื่น ๆ ซึ่งการเลือกขึ้นอยู่กับระบบที่ศึกษา

ดังนั้นเมื่อระบุพิกัดของจุดทำให้สามารถทราบตำแหน่งที่แน่นอนได้การทราบตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์จะกำหนดสถานะของระบบอย่างชัดเจน เมื่อระบบอยู่ในสภาวะสมดุลตัวแปรเหล่านี้จะตอบสนองความสัมพันธ์ที่เรียกว่าสมการสถานะ

สมการสถานะเป็นฟังก์ชันของตัวแปรอุณหพลศาสตร์ที่มีรูปแบบทั่วไปคือ:

โดยที่ P คือความดัน V คือปริมาตรและ T คืออุณหภูมิ โดยปกติแล้วสมการของสถานะสามารถแสดงในรูปของตัวแปรอื่น ๆ ได้ แต่อย่างที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ตัวแปรเหล่านี้เป็นตัวแปรที่ใช้ในการกำหนดลักษณะของระบบอุณหพลศาสตร์มากที่สุด

สมการสถานะที่รู้จักกันดีอย่างหนึ่งคือของก๊าซในอุดมคติ PV = nRT นี่คือจำนวนโมลอะตอมหรือโมเลกุลและ R คือค่าคงที่ของ Boltzmann: 1.30 x 10 ^-23 J / K (จูล / เคลวิน)

สมดุลทางอุณหพลศาสตร์และกฎศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์

สมมติว่าเรามีระบบเทอร์โมไดนามิกส์สองระบบ A และ B พร้อมเทอร์โมมิเตอร์ที่เราเรียกว่า T ซึ่งสัมผัสกับระบบ A นานพอที่ A และ T จะถึงอุณหภูมิเดียวกัน ในกรณีเช่นนี้สามารถมั่นใจได้ว่า A และ T อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน

ด้วยความช่วยเหลือของเทอร์โมมิเตอร์จึงมีการตรวจสอบกฎศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ ที่มา: Pexels

จากนั้นจะทำขั้นตอนเดียวกันซ้ำกับระบบ B และ T ถ้าอุณหภูมิของ B เท่ากับของ A แสดงว่า A และ B อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน ผลลัพธ์นี้เรียกว่ากฎศูนย์หรือหลักการศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ซึ่งระบุไว้อย่างเป็นทางการดังนี้:

และจากหลักการนี้สรุปได้ดังนี้:

ดังนั้นจึงไม่สามารถพิจารณาวัตถุสองชิ้นในการสัมผัสทางความร้อนที่ไม่ได้อยู่ในอุณหภูมิเดียวกันในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์

เอนโทรปีและสมดุลทางอุณหพลศาสตร์

สิ่งที่ผลักดันให้ระบบบรรลุสมดุลทางความร้อนคือเอนโทรปีซึ่งเป็นขนาดที่บ่งชี้ว่าระบบอยู่ใกล้กับสภาวะสมดุลเพียงใดซึ่งบ่งบอกถึงสภาวะของความผิดปกติ ยิ่งมีความผิดปกติมากเท่าไหร่ก็ยิ่งมีเอนโทรปีมากขึ้นเท่านั้นสิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นหากระบบได้รับคำสั่งมากในกรณีนี้เอนโทรปีจะลดลง

สภาวะสมดุลทางความร้อนเป็นสถานะของเอนโทรปีสูงสุดอย่างแม่นยำซึ่งหมายความว่าระบบแยกใด ๆ จะไปสู่สภาวะที่มีความผิดปกติมากขึ้นตามธรรมชาติ

ตอนนี้การถ่ายโอนพลังงานความร้อนในระบบถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี ให้ S เป็นเอนโทรปีและให้เราแสดงด้วยตัวอักษรกรีก "เดลต้า" การเปลี่ยนแปลง: ΔS การเปลี่ยนแปลงที่นำระบบจากสถานะเริ่มต้นไปสู่สถานะสุดท้ายถูกกำหนดเป็น:

สมการนี้ใช้ได้สำหรับกระบวนการที่ย้อนกลับได้เท่านั้น กระบวนการที่ระบบสามารถกลับสู่สภาวะเริ่มต้นได้อย่างสมบูรณ์และอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ในแต่ละจุดตลอดทาง

ตัวอย่างระบบที่มีเอนโทรปีเพิ่มขึ้น

- ในการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่ร้อนกว่าไปยังตัวที่เย็นกว่าเอนโทรปีจะเพิ่มขึ้นจนกว่าอุณหภูมิของทั้งสองจะเท่ากันหลังจากนั้นค่าของมันจะคงที่หากระบบถูกแยกออก

- อีกตัวอย่างหนึ่งของการเพิ่มเอนโทรปีคือการละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำจนกระทั่งถึงสภาวะสมดุลทันทีที่เกลือละลายหมด

- ในของแข็งที่ละลายเอนโทรปีก็เพิ่มขึ้นเช่นกันเนื่องจากโมเลกุลกำลังเคลื่อนที่จากสถานการณ์ที่เป็นระเบียบมากขึ้นซึ่งเป็นของแข็งไปเป็นของเหลวที่ไม่เป็นระเบียบ

- ในการสลายกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นเองบางประเภทจำนวนอนุภาคที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้นและทำให้เอนโทรปีของระบบ ในการสลายตัวอื่น ๆ ที่การทำลายล้างของอนุภาคเกิดขึ้นมีการเปลี่ยนแปลงจากมวลเป็นพลังงานจลน์ซึ่งจะกระจายความร้อนออกไปในที่สุดและเอนโทรปีก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

ตัวอย่างดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงความจริงที่ว่าสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เป็นแบบสัมพัทธ์: ระบบสามารถอยู่ในดุลยภาพทางอุณหพลศาสตร์ในพื้นที่ได้เช่นหากพิจารณาระบบถ้วยกาแฟ + ช้อนชา

อย่างไรก็ตามระบบสภาพแวดล้อมถ้วยกาแฟ + ช้อน + อาจไม่อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนจนกว่ากาแฟจะเย็นลงอย่างสมบูรณ์

อ้างอิง

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. เล่มที่ 1. Mc Graw Hill. 650-672
2. Cengel, Y. 2555. อุณหพลศาสตร์. รุ่น7 ^ma McGraw Hill 15-25 และ 332-334.
3. อุณหพลศาสตร์ กู้คืนจาก: ugr.es.
4. มหาวิทยาลัยแห่งชาติโรซาริโอ เคมีฟิสิกส์ I. กู้คืนจาก: rephip.unr.edu.ar
5. วัตคินส์ทีเอนโทรปีและกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคและนิวเคลียร์ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐซานโฮเซ่ กู้คืนจาก: sjsu.edu.
6. วิกิพีเดีย สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org.