隔離されたシステムの熱力学的平衡は、それを特徴づけ、測定または計算できる変数が変化しないバランスの状態として定義されます。ただし、その隔離により、その状態を変更する傾向のある外力はありません。 。
考慮されるシステムと平衡のクラスは非常に多様です。システムは、ほんのいくつかの例を挙げると、セル、氷の冷たい飲み物、乗客でいっぱいの飛行機、人または機械の一部である場合があります。また、周囲とエネルギーや物質を交換できるかどうかに応じて、隔離したり、閉じたり、開いたりすることができます。
カクテルの成分は熱平衡にあります。出典：Pexels。
隔離されたシステムは環境と相互作用せず、何も出入りしません。閉じたシステムはエネルギーを交換できますが、周囲の環境とは関係ありません。最後に、オープンシステムは環境と自由に交換できます。
さて、十分に長く進化することが許可されている孤立したシステムは、自然にその変数がその値を無期限に保持する熱力学的平衡に向かう傾向があります。そして、それがオープンシステムである場合、その値は環境の値と同じでなければなりません。
これは、各特定のタイプによって課されるすべての平衡条件が満たされている限り、達成されます。
バランスクラス
熱平衡
基本的な平衡の1つは熱平衡です。これは、熱いコーヒー1杯や砂糖をかき混ぜるスプーンなど、多くの日常的な状況で存在します。
このようなシステムは、一定時間後に自然に同じ温度になる傾向があります。その後、すべての部品が同じ温度になると、平衡状態になります。
その際、システム全体の熱交換を促進する温度差があります。各システムには、熱平衡を達成し、すべての点で同じ温度に到達する時間があり、これは緩和時間と呼ばれます。
機械的バランス
システム内のすべての点の圧力が一定である場合、圧力は機械的に平衡しています。
化学バランス
化学平衡は、材料平衡とも呼ばれ、システムの化学組成が経時的に変化しない場合に到達します。
一般に、システムは、熱力学的平衡と機械的平衡が同時に存在する場合、熱力学的平衡であると見なされます。
熱力学変数と状態方程式
システムの熱力学的平衡を分析するために研究されている変数は多様であり、最も一般的に使用されるのは、圧力、体積、質量、および温度です。他の変数には、位置、速度、および選択が調査中のシステムに依存する他の変数が含まれます。
したがって、点の座標を示すことでその正確な位置を知ることが可能になるため、熱力学変数を知ることはシステムの状態を明確に決定します。システムが平衡状態になると、これらの変数は状態方程式として知られる関係を満たします。
状態方程式は、一般的な形が次のような熱力学変数の関数です。
ここで、Pは圧力、Vは体積、Tは温度です。当然のことながら、状態方程式は他の変数で表すこともできますが、前述のとおり、これらは熱力学システムを特徴付けるために最も使用される変数です。
最もよく知られている状態方程式の1つは、理想気体PV = nRTの方程式です。ここで、nはモル数、原子数、または分子数であり、Rはボルツマン定数です：1.30 x 10 -23 J / K（ジュール/ケルビン）。
熱力学平衡と熱力学のゼロ法則
AとTが同じ温度に達するのに十分な時間システムAと接触するTと呼ばれる温度計を備えた2つの熱力学システムAとBがあるとします。このような場合、AとTが熱平衡状態にあることが保証されます。
温度計の助けを借りて、熱力学のゼロ法則が検証されます。出典：Pexels。
次に、システムBとTを使用して同じ手順を繰り返します。Bの温度がAの温度と同じであることが判明した場合、AとBは熱平衡状態にあります。この結果は、熱力学のゼロ法則またはゼロ原理として知られており、正式には次のように述べられています。
この原則から、次のことが結論付けられます。
したがって、同じ温度にない熱接触している2つの物体は、熱力学的平衡状態とは見なされません。
エントロピーと熱力学的平衡
熱平衡を達成するためにシステムを駆動するのはエントロピーです。これは、システムが平衡にどれだけ近いかを示す大きさであり、無秩序の状態を示します。乱れが多いほど、エントロピーは大きくなります。システムが非常に秩序立っている場合は、逆のことが起こります。この場合、エントロピーは減少します。
熱平衡状態は、正確には最大エントロピーの状態です。これは、孤立したシステムが自然に大きな無秩序状態に移行することを意味します。
現在、システム内の熱エネルギーの移動は、そのエントロピーの変化によって支配されています。Sをエントロピーとし、ギリシャ文字「デルタ」でその変化を示します。ΔS。システムを初期状態から最終状態に変更することは、次のように定義されます。
この方程式は、可逆プロセスでのみ有効です。システムが初期状態に完全に戻り、途中の各ポイントで熱力学的平衡にあるプロセス。
エントロピーが増加するシステムの例
-高温の物体から低温の物体への熱伝達では、両方の温度が同じになるまでエントロピーが増加し、その後、システムが分離されている場合、その値は一定のままです。
-エントロピーを増加させる別の例は、塩が完全に溶解するとすぐに平衡に達するまでの、塩化ナトリウムの水への溶解です。
-溶融している固体では、分子が固体であるより秩序だった状態から液体としてより無秩序な状態に移動しているため、エントロピーも増加しています。
-一部のタイプの自然放射性崩壊では、結果として生じる粒子の数が増加し、それに伴ってシステムのエントロピーが増加します。粒子の消滅が発生する他の崩壊では、質量から運動エネルギーへの変換があり、最終的に熱を放散し、エントロピーも増加します。
このような例は、熱力学的平衡が相対的であるという事実を強調しています。たとえば、コーヒー1杯+小さじ1杯のシステムを考慮した場合、システムは局所的に熱力学的平衡にある可能性があります。
ただし、コーヒーカップ+スプーン+環境システムは、コーヒーが完全に冷めるまで熱平衡状態にならない場合があります。
参考文献
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