Tepelná rovnováha - Thermal equilibrium
Dva fyzikální systémy jsou v tepelné rovnováze, pokud mezi nimi není žádný čistý tok tepelné energie, když jsou spojeny cestou propustnou pro teplo. Tepelná rovnováha dodržuje nulový zákon termodynamiky . Říká se, že systém je v tepelné rovnováze sám se sebou, pokud je teplota v systému prostorově stejnoměrná a časově konstantní.
Systémy v termodynamické rovnováze jsou vždy v tepelné rovnováze, ale opak není vždy pravdivý. Pokud spojení mezi systémy umožňuje přenos energie jako „změnu vnitřní energie “, ale neumožňuje přenos hmoty nebo přenos energie jako práce , mohou tyto dva systémy dosáhnout tepelné rovnováhy, aniž by dosáhly termodynamické rovnováhy.
Dvě varianty tepelné rovnováhy
Vztah tepelné rovnováhy mezi dvěma tepelně spojenými tělesy
Vztah tepelné rovnováhy je příkladem rovnováhy mezi dvěma tělesy, což znamená, že se týká přenosu prostřednictvím selektivně propustné části hmoty nebo díla; říká se tomu diatermální spojení. Podle Lieb a Yngvason, základní význam vztahu tepelné rovnováhy zahrnuje, že je reflexivní a symetrický. Není zahrnut v základním významu, ať už je nebo není tranzitivní. Po diskusi o sémantice definice postulují podstatný fyzický axiom, který nazývají „nulový zákon termodynamiky“, že tepelná rovnováha je tranzitivní vztah. Komentují, že třídy ekvivalence takto zavedených systémů se nazývají izotermy.
Vnitřní tepelná rovnováha izolovaného tělesa
Tepelná rovnováha těla sama o sobě se vztahuje k tělu, když je izolováno. Pozadí spočívá v tom, že žádné teplo do něj nevstupuje ani jej neopouští a že je mu ponechán neomezený čas na to, aby se usadil podle svých vlastních vnitřních charakteristik. Když je zcela usazen, takže makroskopická změna již není detekovatelná, nachází se ve vlastní tepelné rovnováze. Neznamená to, že je nutně v jiných druzích vnitřní rovnováhy. Například je možné, že tělo může dosáhnout vnitřní tepelné rovnováhy, ale nemusí být ve vnitřní chemické rovnováze; sklo je příkladem.
Lze si představit izolovaný systém, zpočátku ne ve vlastním stavu vnitřní tepelné rovnováhy. Mohlo by to být podrobeno fiktivní termodynamické operaci rozdělení na dva subsystémy oddělené ničím, žádnou stěnou. Dalo by se pak uvažovat o možnosti přenosů energie jako tepla mezi dvěma subsystémy. Dlouho po fiktivním dělení dosáhnou tyto dva subsystémy prakticky stacionárního stavu, a budou tedy ve vzájemném vztahu tepelné rovnováhy. Takové dobrodružství by se dalo vést neomezeně mnoha způsoby, s různými fiktivními oddíly. Všechny z nich vyústí v subsystémy, které by mohly být prokázány v tepelné rovnováze mezi sebou, testování subsystémů z různých oddílů. Z tohoto důvodu izolovaný systém, zpočátku ne jeho vlastní stav vnitřní tepelné rovnováhy, ale ponechaný na dlouhou dobu, prakticky vždy dosáhne konečného stavu, který lze považovat za vnitřní tepelnou rovnováhu. Takový konečný stav je prostorovou rovnoměrností nebo homogenitou teploty. Existence takových stavů je základním postulátem klasické termodynamiky. Tento postulát se někdy, ale ne často, nazývá minus první termodynamický zákon. Významná výjimka existuje pro izolované kvantové systémy, které jsou lokalizovány v mnoha tělech a které nikdy nedosáhnou vnitřní tepelné rovnováhy.
Tepelný kontakt
Teplo může proudit do nebo ven z uzavřeného systému prostřednictvím vedení tepla nebo tepelného záření do nebo z tepelného zásobníku, a je-li tento proces uskutečnit čistý přenos tepla, není systém v tepelné rovnováze. Zatímco přenos energie jako tepla pokračuje, teplota systému se může měnit.
Těla připravená s odděleně rovnoměrnými teplotami, poté navzájem propojená čistě tepelně
Pokud jsou tělesa připravena s odděleně mikroskopicky stacionárními stavy a poté jsou uvedena do čistě tepelného spojení navzájem, vodivými nebo radiačními cestami, budou mezi sebou v tepelné rovnováze právě tehdy, když po spojení nedojde k žádné změně v žádném z těles. Pokud ale zpočátku nejsou ve vztahu teplotní rovnováhy, teplo bude proudit z teplejšího do chladnějšího, ať už je k dispozici jakákoli cesta, vodivá nebo radiační, a tento tok bude pokračovat, dokud není dosaženo tepelné rovnováhy, a pak budou mít stejnou teplotu.
Jednou z forem tepelné rovnováhy je radiační rovnovážná rovnováha. Dvě tělesa, každé s vlastní rovnoměrnou teplotou, v čistě radiačním spojení, bez ohledu na to, jak daleko od sebe, nebo jaké částečně obstrukční, reflexní nebo refrakční překážky leží v jejich dráze radiační výměny, které se nepohybují vůči sobě navzájem, si budou vyměňovat tepelné záření, v čistotě teplejší přenáší energii do chladiče a bude si vyměňovat stejná a opačná množství právě tehdy, když mají stejnou teplotu. V této situaci je ve hře Kirchhoffův zákon rovnosti radiační emisivity a absorpce a Helmholtzův princip vzájemnosti .
Změna vnitřního stavu izolovaného systému
Pokud je původně izolovaný fyzický systém bez vnitřních stěn, které vytvářejí adiabaticky izolované subsystémy, ponechán dostatečně dlouho, obvykle dosáhne stavu tepelné rovnováhy sám o sobě, ve kterém bude jeho teplota v celém rozsahu stejnoměrná , ale ne nutně stav termodynamické rovnováhy , pokud existuje nějaká strukturální bariéra, která může zabránit některým možným procesům v systému dosáhnout rovnováhy; sklo je příkladem. Klasická termodynamika obecně zvažuje idealizované systémy, které dosáhly vnitřní rovnováhy, a idealizované přenosy hmoty a energie mezi nimi.
Izolovaný fyzický systém může být nehomogenní nebo může být složen z několika subsystémů oddělených od sebe stěnami. Pokud je původně nehomogenní fyzikální systém bez vnitřních stěn izolován termodynamickou operací, obecně časem změní svůj vnitřní stav. Nebo pokud se skládá z několika subsystémů oddělených od sebe stěnami, může změnit svůj stav po termodynamické operaci, která změní jeho stěny. Tyto změny mohou zahrnovat změnu teploty nebo prostorové rozložení teploty změnou stavu základních materiálů. Železná tyč, zpočátku připravená na to, aby byla na jednom konci horká a na druhém studená, když se izolovala, se změní tak, aby se její teplota po celé délce stala rovnoměrnou; během procesu není tyč v tepelné rovnováze, dokud není její teplota rovnoměrná. V systému připraveném jako blok ledu plovoucí v lázni horké vody a poté izolovaný, může led roztát; během tavení není systém v tepelné rovnováze; ale nakonec se jeho teplota stane rovnoměrnou; blok ledu se znovu nevytvoří. Systém připravený jako směs benzínových par a vzduchu může být zapálen jiskrou a produkovat oxid uhličitý a vodu; pokud se to stane v izolovaném systému, zvýší to teplotu systému a během nárůstu není systém v tepelné rovnováze; ale nakonec se systém ustálí na rovnoměrnou teplotu.
Takové změny v izolovaných systémech jsou nevratné v tom smyslu, že zatímco k takové změně dojde spontánně, kdykoli je systém připraven stejným způsobem, reverzní změna prakticky nikdy nenastane spontánně v izolovaném systému; to je velká část obsahu druhého termodynamického zákona . Skutečně dokonale izolované systémy se v přírodě nevyskytují a jsou vždy uměle připraveny.
V gravitačním poli
Lze uvažovat o systému obsaženém ve velmi vysoké adiabaticky se izolující nádobě s tuhými stěnami zpočátku obsahujícím tepelně heterogenní distribuci materiálu, který byl ponechán po dlouhou dobu pod vlivem stálého gravitačního pole podél jeho vysokého rozměru v důsledku vnějšího tělesa, jako je jako země. Bude se usazovat do stavu rovnoměrné teploty, i když nebude mít rovnoměrný tlak nebo hustotu, a možná bude obsahovat několik fází. Je pak ve vnitřní tepelné rovnováze a dokonce i v termodynamické rovnováze. To znamená, že všechny místní části systému jsou ve vzájemné rovnováze radiační výměny. To znamená, že teplota systému je prostorově stejnoměrná. Je tomu tak ve všech případech, včetně případů nejednotných vnějších silových polí. U externě uloženého gravitačního pole to lze dokázat makroskopickými termodynamickými termíny pomocí variačního počtu pomocí metody Langrangianových multiplikátorů. Úvahy o kinetické teorii nebo statistické mechanice také podporují toto tvrzení.
Rozdíl mezi tepelnou a termodynamickou rovnováhou
Existuje důležitý rozdíl mezi tepelnou a termodynamickou rovnováhou . Podle Münstera (1970) se ve stavech termodynamické rovnováhy stavové proměnné systému nemění měřitelnou rychlostí. Navíc „podmínka„ měřitelnou rychlostí “znamená, že můžeme uvažovat o rovnováze pouze s ohledem na stanovené procesy a definované experimentální podmínky.“ Stav termodynamické rovnováhy lze také popsat méně makroskopickými proměnnými než kterýkoli jiný stav daného tělesa. Jediné izolované těleso může začít ve stavu, který není v termodynamické rovnováze, a může se měnit, dokud není dosaženo termodynamické rovnováhy. Tepelná rovnováha je vztah mezi dvěma tělesy nebo uzavřenými systémy, ve kterém jsou přenosy povoleny pouze energií a probíhají přes přepážku propustnou pro teplo a ve kterých přenosy probíhaly, dokud se stavy těles nepřestanou měnit.
CJ Adkins výslovně rozlišuje mezi „tepelnou rovnováhou“ a „termodynamickou rovnováhou“. Připouští, že dvěma systémům může být povoleno vyměňovat si teplo, ale být omezen výměnou práce; budou si přirozeně vyměňovat teplo, dokud nebudou mít stejné teploty, a dosáhnou tepelné rovnováhy, ale obecně nebudou v termodynamické rovnováze. Mohou dosáhnout termodynamické rovnováhy, když jim je také umožněno vyměňovat si práci.
Další explicitní rozdíl mezi „tepelnou rovnováhou“ a „termodynamickou rovnováhou“ provádí společnost BC Eu. Považuje dva systémy v tepelném kontaktu, jeden za teploměr, druhý za systém, ve kterém dochází k několika nevratným procesům. Uvažuje o případu, kdy se v časovém měřítku zájmu stane, že jak odečty z teploměru, tak nevratné procesy jsou stabilní. Pak existuje tepelná rovnováha bez termodynamické rovnováhy. Eu následně navrhuje, aby nulový zákon termodynamiky mohl být považován za platný, i když není přítomna termodynamická rovnováha; rovněž navrhuje, aby pokud ke změnám dochází tak rychle, že nelze definovat ustálenou teplotu, pak „již není možné popsat proces pomocí termodynamického formalismu. Jinými slovy, termodynamika pro takový proces nemá žádný význam“.
Tepelná rovnováha planet
Planeta je v tepelné rovnováze, když dopadající energie, která k ní dosáhne (obvykle sluneční záření od její mateřské hvězdy), se rovná infračervené energii vyzařované do vesmíru.
Viz také
Citace
Citační reference
- Adkins, CJ (1968/1983). Equilibrium Thermodynamika , třetí vydání, McGraw-Hill, Londýn, ISBN 0-521-25445-0 .
- Bailyn, M. (1994). Průzkum termodynamiky , American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3 .
- Boltzmann, L. (1896/1964). Přednášky z plynové teorie , překlad SG Brush, University of California Press, Berkeley.
- Chapman, S. , Cowling, TG (1939/1970). Matematická teorie nejednotných plynů. Účet kinetické teorie viskozity, tepelné vodivosti a difúze v plynech , třetí vydání 1970, Cambridge University Press, Londýn.
- Gibbs, JW (1876/1878). Na rovnováze heterogenních látek trans. Conn. Acad. , 3 : 108-248, 343-524, přetištěno v Souborných dílech J. Willarda Gibbse, Ph.D, LL. D. , editoval WR Longley, RG Van Name, Longmans, Green & Co., New York, 1928, svazek 1, s. 55–353.
- Maxwell, JC (1867). O dynamické teorii plynů, Phil. Trans. Roy. Soc. Londýn , 157 : 49–88.
- Münster, A. (1970). Klasická termodynamika , přeložil ES Halberstadt, Wiley – Interscience, Londýn.
- Partington, JR (1949). Pokročilé pojednání o fyzikální chemii , svazek 1, Základní principy. Vlastnosti plynů , Longmans, Green and Co., London.
- Planck, M. , (1897/1903). Pojednání o termodynamice , přeložil A. Ogg, první anglické vydání, Longmans, Green and Co. , London.
- Planck, M. (1914). Theory of Heat Radiation , druhé vydání přeloženo M. Masiusem, P. Blakistonovým synem a spol., Philadelphia.
- ter Haar, D. , Wergeland, H. (1966). Elementy termodynamiky , Addison-Wesley Publishing, Reading MA.
- Tisza, L. (1966). Zobecněná termodynamika , MIT Press, Cambridge MA.