Caracteristica de bază a echilibrului termic este că proprietățile macroscopice ale sistemului sunt stabile, temperatura este uniformă și nu există un flux net de căldură. Este o stare stabilă dinamică, idealizată, care poate fi descrisă de legile termodinamicii. Această stare nu este doar piatra de temelie a analizei termodinamice, ci oferă și baza teoretică pentru definirea temperaturii și măsurarea căldurii.
Principalele caracteristici ale echilibrului termic:
Temperatura constantă (echilibru termic): temperatura este aceeași în toate părțile sistemului și între sistem și împrejurimile acestuia (dacă este în contact). Nu există transfer de căldură determinat de diferențele de temperatură. Acesta este cel mai fundamental criteriu pentru echilibrul termic, derivat din legea zero a termodinamicii: Dacă două sisteme sunt în echilibru termic cu un al treilea sistem, atunci sunt de asemenea în echilibru termic unul cu celălalt.
Fără transfer net de căldură macroscopic: Deși particulele microscopice se ciocnesc în mod constant și schimbă energie, dintr-o perspectivă macroscopică, nu există un flux net de căldură în sistem sau între sistem și împrejurimile acestuia. Adică, „absorbție de căldură=eliberare de căldură”, realizând un echilibru termic.
Fără transfer net de căldură macroscopic: deși particulele microscopice încă se ciocnesc și fac schimb de energie, dintr-o perspectivă macroscopică, nu există un flux net de căldură în sistem sau între sistem și împrejurimile acestuia. Adică, „absorbție de căldură=eliberare de căldură”, realizând un echilibru termic. Echilibrul dinamic (echilibrul termodinamic) Dintr-o perspectivă microscopică, moleculele sunt în mod constant în mișcare termică aleatorie, schimbând energie continuu, dar sistemul în ansamblu prezintă un fel de „echilibru dinamic în liniște”. Acest echilibru se numește echilibru termodinamic, rezultat al legilor statistice.
Entropia maximă (în sisteme izolate) Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, sistemele izolate tind spontan spre creșterea entropiei. Când este atins echilibrul termic, entropia atinge valoarea maximă posibilă în acele condiții, iar dezordinea sistemului este la cea mai mare. În acest moment, ΔS=0, iar procesul este ireversibil.
Energia liberă Gibbs minimă (În condiții izoterme și izobare) Într-un mediu deschis, sistemul tinde către starea energiei libere Gibbs minime (G). Când ΔG=0, sistemul atinge echilibrul termodinamic, moment în care ΔH=TΔS, indicând faptul că modificarea entalpiei și schimbarea entropiei sunt în echilibru.
Existența fluctuațiilor Deși stabilă macroscopic, datorită mișcării aleatorii a particulelor microscopice, starea sistemului va fluctua ușor în jurul valorii de echilibru, numite fluctuații. În sistemele macroscopice, fluctuațiile sunt extrem de mici și de obicei neglijabile.
Baza măsurării temperaturii:
Deoarece sistemele aflate în echilibru termic au aceeași temperatură, putem folosi un termometru pentru a măsura temperatura unui obiect necunoscut prin contact termic. Acest principiu este baza fizică a tuturor măsurătorilor de temperatură.
Clasificarea si conditiile echilibrului termic:
|
Tipul de echilibru |
Stare |
Manifestare |
|
Echilibru termic |
Temperatură constantă |
fara transfer de caldura |
|
Echilibru mecanic |
Presiune uniformă |
nicio diferență de forță macroscopică, nicio modificare de volum sau accelerație |
|
Echilibru chimic |
Potenţial chimic egal |
nicio transformare a substanței sau modificare a concentrației |
|
Echilibru de fază |
Potențial chimic egal al fiecărei faze |
nicio schimbare de fază (de exemplu, coexistența apei și a gheții) |
Doar atunci când toate condițiile de echilibru de mai sus sunt îndeplinite simultan, sistemul este într-adevăr într-un echilibru termodinamic complet.
Semnificație practică și explicație idealizată:
Model ideal: strict vorbind, echilibrul termic necesită ca sistemul să fie complet izolat (fără schimb de materie sau energie), ceea ce este greu de realizat în realitate, dar poate fi aproximat atunci când procesul este lent (de exemplu, schimbările de stare a gazului într-un cilindru).
Aplicații largi: de la proiectarea termometrului și analiza eficienței motoarelor termice până la cercetarea schimbărilor de fază în știința materialelor, conceptul de echilibru termic este omniprezent.
Comparația stărilor de non-echilibru: dacă sistemul are un aport continuu de energie (cum ar fi organismele vii sau circulația atmosferică), acesta poate menține o „stare de echilibru fără-(structură disipativă), dar aceasta nu se încadrează în categoria echilibrului termic clasic.
