Il 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, poiché a causa del suo isolamento non sono presenti 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 o meno scambiare energia e materia con il loro ambiente..
UN sistema isolato non interagisce con l'ambiente, niente entra o esce. UN sistema chiuso può scambiare energia ma non importa con l'ambiente che lo circonda. Infine, il sistema aperto è libero di fare 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 a condizione che tutte le condizioni di equilibrio imposte da ciascun tipo particolare siano soddisfatte..
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Un tipo di equilibrio fondamentale è il equilibrio termale, che è presente in molte situazioni quotidiane, come una tazza di caffè calda e il cucchiaio con cui si mescola 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 suoi punti, chiamati tempo di relax.
Quando la pressione in tutti i punti di un sistema è costante, è in equilibrio meccanico.
Il equilibrio chimico, anche a volte chiamato bilancio materiale, si raggiunge quando la composizione chimica di un impianto rimane inalterata nel tempo.
In generale, un sistema è considerato in equilibrio termodinamico quando è contemporaneamente in equilibrio termico e meccanico.
Le variabili che vengono 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:
f (P, V, T) = 0
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 10-2. 3 J / K (Joule / Kelvin).
Supponiamo di avere due sistemi termodinamici A e B con un termometro che chiameremo T, che viene messo a contatto con il sistema A abbastanza a lungo perché A e T raggiungano la stessa temperatura. In questo caso si può garantire che A e T siano in equilibrio termico.
La stessa procedura viene quindi 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:
Se due sistemi A e B sono in equilibrio termico ciascuno indipendentemente con un terzo sistema T, allora è possibile affermare che A e B sono in equilibrio termico tra loro.
E da questo principio si conclude quanto segue:
Un sistema è in equilibrio termodinamico quando tutte le sue parti sono alla stessa temperatura.
Pertanto, due corpi in contatto termico che non sono alla stessa temperatura non possono essere considerati in equilibrio termodinamico..
Ciò che spinge un sistema a raggiungere l'equilibrio termico è il entropia, una grandezza che indica quanto il sistema è vicino all'equilibrio, essendo indicativa del 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 maggiore 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" il cambiamento 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 e in ogni punto del percorso si trova in equilibrio termodinamico.
- 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 dissolto..
- In un solido che si scioglie, aumenta anche l'entropia, poiché le molecole si stanno spostando 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 si verifica l'annichilazione delle particelle, si verifica una trasformazione della massa in 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 tazzina + cucchiaino..
Tuttavia, il sistema tazzina + cucchiaio + ambiente potrebbe non essere in equilibrio termico fino a quando il caffè non si sarà completamente raffreddato..
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