Равновесие термодинамическое

Термодинамическое равновесие — состояние изолированной термодинамической системы, при котором в каждой точке для всех химических, диффузионных, ядерных, и других процессов скорость прямой реакции равна скорости обратной.

Термодинамическое равновесие можно делить на термическое, механическое и химическое равновесие, выделяя различные типы физических процессов, на которых достигнуто состояние равновесия.

Согласно нулевому началу термодинамики к термодинамическому равновесию стремится термодинамическая система, изолированная от внешних воздействий.

На практике условие изолированности означает, что процессы внутри системы протекают гораздо быстрее, чем обменные процессы с внешней средой.

В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта:

1. локальное равновесие — равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы. В литературе иногда можно встретить в виде аббревиатуры «ЛТР» (локальное термодинамическое равновесие);
2. частичное равновесие — неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе;
3. смешанное — имеют место как локальное, так и частичное равновесие.

Устойчивость термодинамического равновесия

Из нулевого начала термодинамики следует устойчивость состояния термодинамического равновесия. В этом состоянии не меняются интегральные параметры системы (макропараметры) — температура, давление, плотность. Собственно, эти и другие макропараметры строго определяются только для систем, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия.

В состоянии термодинамического равновесия не меняются также и различные вероятностные величины, например, функции распределения по энергиям и скоростям для всех составляющих системы (молекул, атомов, электронов, ионов). Для идеального газа, распределение частиц по энергиям в равновесном состоянии описывается функцией распределения Максвелла.

Достижимость термодинамического равновесия

В природе не существуют полного термодинамического равновесия. Всякая система в реальном мире изолирована лишь отчасти, и в каждой системе химические, ядерные процессы или процессы передачи энергии уравновешены лишь с определённой точностью. Невозможно достичь постоянства граничных условий вокруг какой-либо замкнутой области, также как невозможно бесконечно долго ждать момента наступления полного термодинамического равновесия в этой замкнутой области.

Но при этом в жизни есть множество примеров систем, достаточно близких к термодинамическому равновесию, чтобы получать полезные выводы из расчетов, проведённых в предположении термодинамического равновесия.

Примеры

Для герметического сосуда произвольной формы (это может быть закрытая стеклянная бутылка или, камера от велосипеда), наполненного любым газом или жидкостью и помещённым в другой сосуд, наполненный газом или жидкостью с постоянной температурой условия теплового равновесия выполняются.

Плазма, полученная в земных условиях, например, в газоразрядной камере всегда неравновесна. Энергия, поступающая в объём, из электрического разряда, уходит в окружающее пространство, например, с излучением из газа. Заряженные частицы, электроны усваивают энергию электрического поля и отдают её тяжёлым частицам — атомам и ионам в столкновениях. В этом случае говорят о локальном термодинамическом равновесии внутри малых объёмов или о приближённом термодинамическом равновесии внутри ансамблей частиц (электронов, ионов, атомов, фотонов). Поэтому в физике плазмы используют термины: температура электронов, температура ионов, температура атомов, подразумевая, что распределение каждого класса частиц по энергиям приближённо описывается функцией Максвелла, но со своей температурой.

Герметичный цилиндр, разделённый герметичным теплопроводящим поршнем, который перемещается без трения и разделяет объём цилиндра на две части, наполненные газом. Если давления и/или температуры с разных сторон поршня различаются, то он начнёт колебательное движение, которое со временем затухнет и система, ограниченная внутренностью поршня, перейдёт в состояние термодинамического равновесия — поршень неподвижен, давления и температуры с обоих сторон поршня одинаковы.

Критерии термодинамической устойчивости различных систем

• Замкнутая (адиабатически изолированная) система — максимум энтропии.
• Система с фиксированными температурой и объёмом — минимум свободной энергии.
• Система с фиксированными температурой и давлением — минимум потенциала Гиббса.
• Система с фиксированными энтропией и объёмом — минимум внутренней энергии.
• Система с фиксированными энтропией и давлением — минимум энтальпии.

См. также

• Термодинамика
• Температура
• Эксергия