EQUILIBRIO TERMODINAMICO: CLASSI E APPLICAZIONI - FISICO - 2024

L' equilibrio termodinamico di un sistema isolato è definito come uno stato di equilibrio in cui le variabili che lo caratterizzano e che possono essere misurate o calcolate non subiscono variazioni, dato che a causa del suo isolamento non ci sono forze esterne che tendono a modificare quello stato. .

Sia i sistemi che le classi di equilibrio da considerare sono molto diversi. Un sistema può essere una cella, una bevanda ghiacciata, un aereo pieno di passeggeri, una persona o un macchinario, per citare solo alcuni esempi. Possono anche essere isolati, chiusi o aperti, a seconda che possano scambiare energia e materia con l'ambiente circostante.

I componenti del cocktail sono in equilibrio termico. Fonte: Pexels.

Un sistema isolato non interagisce con l'ambiente, niente entra o esce da esso. Un sistema chiuso può scambiare energia ma non importa con l'ambiente circostante. Infine, il sistema aperto è libero di effettuare scambi con l'ambiente.

Ebbene, un sistema isolato a cui è consentito evolversi abbastanza a lungo, tende spontaneamente all'equilibrio termodinamico in cui le sue variabili manterranno il loro valore indefinitamente. E quando è un sistema aperto, i suoi valori devono essere gli stessi di quelli dell'ambiente.

Ciò sarà ottenuto fintanto che tutte le condizioni di equilibrio imposte da ogni particolare tipo saranno soddisfatte.

Classi di equilibrio

Equilibrio termale

Un tipo di equilibrio fondamentale è l'equilibrio termico, che è presente in molte situazioni quotidiane, come una tazza di caffè calda e il cucchiaio con cui viene mescolato lo zucchero.

Un tale sistema tende spontaneamente ad acquisire la stessa temperatura dopo un certo tempo, dopodiché arriva l'equilibrio in quanto tutte le parti sono alla stessa temperatura.

Quando ciò accade, c'è una differenza di temperatura che guida lo scambio di calore in tutto il sistema. Ogni sistema ha un tempo per raggiungere l'equilibrio termico e raggiungere la stessa temperatura in tutti i punti, chiamato tempo di rilassamento.

Bilanciamento meccanico

Quando la pressione in tutti i punti di un sistema è costante, è in equilibrio meccanico.

Equilibrio chimico

L'equilibrio chimico, a volte chiamato anche equilibrio materiale, si raggiunge quando la composizione chimica di un sistema rimane inalterata nel tempo.

In generale, un sistema è considerato in equilibrio termodinamico quando è contemporaneamente in equilibrio termico e meccanico.

Variabili termodinamiche ed equazione di stato

Le variabili studiate per analizzare l'equilibrio termodinamico di un sistema sono diverse, le più comunemente utilizzate sono pressione, volume, massa e temperatura. Altre variabili includono posizione, velocità e altre la cui selezione dipende dal sistema in esame.

Quindi, poiché l'indicazione delle coordinate di un punto consente di conoscerne la posizione esatta, conoscere le variabili termodinamiche determina in modo inequivocabile lo stato di un sistema. Una volta che il sistema è in equilibrio, queste variabili soddisfano una relazione nota come equazione di stato.

L'equazione di stato è una funzione delle variabili termodinamiche la cui forma generale è:

Dove P è la pressione, V è il volume e T è la temperatura. Naturalmente l'equazione di stato potrebbe essere espressa in termini di altre variabili, ma come detto prima, queste sono le variabili più utilizzate per caratterizzare i sistemi termodinamici.

Una delle equazioni di stato più note è quella dei gas ideali PV = nRT. Qui n è il numero di moli, atomi o molecole e R è la costante di Boltzmann: 1,30 x ^10-23 J / K (Joule / Kelvin).

Equilibrio termodinamico e legge zero della termodinamica

Supponiamo di avere due sistemi termodinamici A e B con un termometro che chiameremo T, che viene messo in contatto con il sistema A abbastanza a lungo perché A e T raggiungano la stessa temperatura. In tal caso si può garantire che A e T siano in equilibrio termico.

Con l'aiuto di un termometro si verifica la legge zero della termodinamica. Fonte: Pexels.

La stessa procedura viene poi ripetuta con il sistema B e T. Se la temperatura di B risulta essere la stessa di quella di A, allora A e B sono in equilibrio termico. Questo risultato è noto come legge zero o principio zero della termodinamica, che è formalmente affermato come segue:

E da questo principio si conclude quanto segue:

Pertanto, due corpi in contatto termico che non sono alla stessa temperatura non possono essere considerati in equilibrio termodinamico.

Entropia ed equilibrio termodinamico

Ciò che spinge un sistema a raggiungere l'equilibrio termico è l'entropia, una grandezza che indica quanto il sistema è vicino all'equilibrio, indicando il suo stato di disordine. Maggiore è il disordine, maggiore è l'entropia, avviene l'opposto se un sistema è molto ordinato, in questo caso l'entropia diminuisce.

Lo stato di equilibrio termico è proprio lo stato di massima entropia, il che significa che ogni sistema isolato va spontaneamente verso uno stato di maggior disordine.

Ora, il trasferimento di energia termica nel sistema è governato dal cambiamento della sua entropia. Sia S l'entropia e indichiamo con la lettera greca "delta" la variazione in essa: ΔS. La modifica che porta il sistema da uno stato iniziale a uno stato finale è definita come:

Questa equazione è valida solo per processi reversibili. Processo in cui il sistema può tornare completamente alle condizioni iniziali ed è in equilibrio termodinamico in ogni punto del percorso.

Esempi di sistemi con entropia crescente

- Nel trasferimento di calore da un corpo più caldo a uno più freddo, l'entropia aumenta fino a quando la temperatura di entrambi è la stessa, dopodiché il suo valore rimane costante se il sistema è isolato.

- Un altro esempio di aumento dell'entropia è la dissoluzione del cloruro di sodio in acqua, fino al raggiungimento dell'equilibrio non appena il sale si è completamente sciolto.

- In un solido che si scioglie, aumenta anche l'entropia, poiché le molecole stanno passando da una situazione più ordinata, che è un solido, a una più disordinata come un liquido.

- In alcuni tipi di decadimento radioattivo spontaneo, il numero di particelle risultante aumenta e con esso l'entropia del sistema. In altri decadimenti in cui avviene l'annichilazione delle particelle, c'è una trasformazione da massa a energia cinetica che alla fine dissipa il calore e aumenta anche l'entropia.

Tali esempi evidenziano il fatto che l'equilibrio termodinamico è relativo: un sistema può trovarsi in equilibrio termodinamico localmente, ad esempio se si considera il sistema tazza di caffè + cucchiaino.

Tuttavia, il sistema tazza + cucchiaio + ambiente potrebbe non essere in equilibrio termico fino a quando il caffè non si sarà completamente raffreddato.

Riferimenti

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6. Wikipedia. Equilibrio termodinamico. Estratto da: en.wikipedia.org.