لعرض ظروف التوازن بشكل مرئي، ينبغي للمرء أن ينطلق من نموذج ميكانيكي بسيط، والذي، اعتمادًا على التغير في الطاقة الكامنة اعتمادًا على موضع الجسم، يكشف عن ثلاث حالات توازن:
1. توازن مستقر.
2. التوازن المتغير (غير المستقر).
3. التوازن المستقر.
باستخدام نموذج علبة الثقاب، يصبح من الواضح أن مركز ثقل الصندوق الذي يقف على حافة (توازن شبه مستقر) يجب أن يرتفع فقط لكي يسقط الصندوق على الجانب العريض من خلال الحالة المتغيرة، أي. إلى حالة توازن ميكانيكية مستقرة، والتي تعكس حالة الطاقة الكامنة الأدنى (الشكل 9.1.1).

يتميز التوازن الحراري بغياب التدرجات الحرارية في النظام. ويحدث التوازن الكيميائي عندما لا يكون هناك تفاعل صافي بين مادتين يسبب تغيرا، أي. تحدث جميع ردود الفعل في الاتجاهين الأمامي والخلفي بسرعة متساوية.
يوجد التوازن الديناميكي الحراري في حالة استيفاء شروط التوازن الميكانيكية والحرارية والكيميائية في النظام. يحدث هذا عندما تكون الطاقة المجانية عند الحد الأدنى. عند الضغط الثابت، كما هو متعارف عليه عمومًا في علم المعادن، ينبغي اعتبار الطاقة الحرة على أنها طاقة جيبس ​​الحرة C، والتي تسمى المحتوى الحراري الحر:

في هذه الحالة، H هو المحتوى الحراري، أو المحتوى الحراري، أو مجموع الطاقة الداخلية E وطاقة الإزاحة pV مع الضغط p والحجم V وفقًا لـ

بافتراض الحجم الثابت V، يمكن تطبيق طاقة هيلمهولتز الحرة F:

ومن هذه العلاقات يتبين أن حالة التوازن تتميز بالقيم المتطرفة. وهذا يعني أن طاقة جيبس ​​الحرة ضئيلة. ويترتب على المعادلة (9.1.1) أن طاقة جيبس ​​الحرة يتم تحديدها بواسطة مكونين، هما المحتوى الحراري، أو المحتوى الحراري H والإنتروبيا S. وهذه الحقيقة ضرورية لفهم اعتماد درجة الحرارة على وجود المراحل المختلفة.
يختلف سلوك طاقة جيبس ​​الحرة مع التغيرات في درجات الحرارة بالنسبة للمواد الموجودة في الطور الغازي أو السائل أو الصلب. وهذا يعني أنه اعتمادًا على درجة الحرارة لمرحلة معينة (والتي تعادل حالة التجميع)، تكون طاقة جيبس ​​الحرة في حدها الأدنى. وبالتالي، اعتمادًا على درجة الحرارة، في حالة التوازن المستقر، سيكون هناك دائمًا تلك المرحلة التي تكون فيها طاقة جيبس ​​الحرة عند درجة الحرارة المعنية هي الأدنى بالمقابل (الشكل 9.1.2).
حقيقة أن طاقة جيبس ​​​​الحرة تتكون من المحتوى الحراري والإنتروبيا تتضح من مثال الاعتماد على درجة الحرارة لمناطق وجود تعديلات مختلفة للقصدير. وهكذا، فإن رباعي القصدير (الأبيض) بيتا-تين يكون مستقرًا عند درجات حرارة أكبر من 13 درجة مئوية، ويوجد القصدير ألفا المكعب الشبيه بالألماس (الرمادي) في توازن مستقر أقل من 13 درجة مئوية (تآصلية).

إذا، في ظل الظروف العادية البالغة 25 درجة مئوية و1 بار، فإن المحتوى الحراري للطور بيتا المستقر يؤخذ على أنه 0، ثم بالنسبة للقصدير الرمادي يتم الحصول على محتوى حراري قدره 2 كيلوجول/مول. وفقًا للمحتوى الحراري عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، يجب تحويل β-tin إلى α-tin عند إطلاق 2 كيلو جول/مول، بشرط أن يكون النظام ذو المحتوى الحراري المنخفض مستقرًا. في الواقع، لا يحدث مثل هذا التحول، حيث يتم ضمان استقرار الطور هنا من خلال زيادة سعة الإنتروبيا.
نظرًا للزيادة في الإنتروبيا أثناء تحويل α-tin إلى β-tin في الظروف العادية، يتم تعويض الزيادة في المحتوى الحراري بشكل أكبر، بحيث تكون طاقة جيبس ​​الحرة C=H-TS لتعديل β-tin الأبيض في الواقع يفي بالشرط الأدنى.
تمامًا مثل الطاقة، تتصرف إنتروبيا النظام بشكل إضافي، أي: يتم تشكيل الإنتروبيا الكاملة للنظام من مجموع الإنتروبيا الفردية. الإنتروبيا هي معلمة حالة وبالتالي يمكنها وصف حالة النظام.
دائما عادلة

حيث Q هي الحرارة الموردة للنظام.
بالنسبة للعمليات القابلة للعكس، فإن علامة التساوي مهمة. وبالنسبة لنظام معزول حراريًا، dQ=0، فإن dS>0. إحصائيًا، يمكن تصور الإنتروبيا من خلال حقيقة أنه عند خلط الجسيمات التي لا تملأ الفضاء بشكل موحد (كما هو الحال، على سبيل المثال، عند خلط الغازات)، تكون حالة التوزيع المتجانس على الأرجح، أي. توزيع عشوائي قدر الإمكان. يعبر هذا عن الإنتروبيا S كمقياس للتوزيع التعسفي في النظام ويتم تعريفه على أنه لوغاريتم الاحتمال:

حيث k هو ثابت بولتزمان؛ w هو احتمال التوزيع، على سبيل المثال، لنوعين من جزيئات الغاز.

17.01.2020

المحولات الجافة ذات الملفات العازلة المصبوبة بقدرة من خمسة وعشرين إلى ثلاثة آلاف ومائة وخمسين كيلووات أمبير وفئات الجهد حتى عشرة كيلووات...

17.01.2020

يعد تنفيذ أعمال العزل المائي ضرورة تنشأ أحيانًا أثناء إنشاء خطوط أنابيب الغاز والنفط وخطوط الأنابيب الأخرى. من التأثيرات السلبية الخارجية..

17.01.2020

تعتبر أعمال اللحام خطرة على الصحة. الرؤية أثناء إصابات العمل معرضة لخطر متزايد....

16.01.2020

إن شراء رافعة شوكية للمستودع ليس عملية بسيطة. يجب أن يتم الاختيار بناءً على عدة معايير في وقت واحد. لتجنب الوقوع في الخطأ..

15.01.2020

تتمثل مزايا النظام غير المتطاير في أنه عند استخدامه لا داعي للقلق بشأن انقطاع التيار الكهربائي، فهذا النظام سيعمل بشكل مستقل...

15.01.2020

في الوقت الحاضر، يتم استخدام أثاث الخيزران الغريب وخفيف الوزن في أنماط داخلية مختلفة. يبدو الخيزران مفيدًا بشكل خاص في المناطق الأفريقية واليابانية والبيئية والريفية...

13.01.2020

الصفائح المموجة هي مادة متعددة الاستخدامات للغاية. لا يتطلب أي صيانة تقريبًا، ويبدو جذابًا، وسهل التثبيت للغاية، ومتين وموثوق. ثري...

13.01.2020

اليوم، هناك طلب كبير في السوق على مجموعة متنوعة من المنتجات المصنوعة من المواد الخام المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. مثل هذا الطلب في الوقت الحالي..

13.01.2020

هناك أنواع مختلفة من تجديدات الشقق. حتى لا تحتار في التعريفات عند شرح رغباتك لموظفي المؤسسة المتعاقدة، عليك أولاً...

غالبًا ما تمتلك الأنظمة العيانية "ذاكرة"، ويبدو أنها تتذكر تاريخها. على سبيل المثال، إذا استخدمت ملعقة لتنظيم حركة الماء في الكوب، فإن هذه الحركة ستستمر لبعض الوقت ولكن بالقصور الذاتي. يكتسب الفولاذ خصائص خاصة بعد التصنيع. ومع ذلك، مع مرور الوقت، تتلاشى الذاكرة. تتوقف حركة الماء في الكوب، وتضعف الضغوط الداخلية في الفولاذ بسبب تشوه اللدونة، وتقل عدم تجانس التركيز بسبب الانتشار. يمكن القول بأن الأنظمة تميل إلى تحقيق حالات بسيطة نسبيًا لا تعتمد على التاريخ السابق للنظام. في بعض الحالات، يحدث تحقيق هذه الحالة بسرعة، في حالات أخرى - ببطء. ومع ذلك، فإن جميع الأنظمة تميل إلى الحالات التي يتم فيها تحديد خصائصها من خلال عوامل داخلية، وليس من خلال الاضطرابات السابقة. مثل هذه الحالات البسيطة والمحدودة، بحكم تعريفها، مستقلة عن الزمن. وتسمى هذه الحالات التوازن. المواقف ممكنة عندما تكون حالة النظام دون تغيير، ولكن هناك تدفقات من الكتلة أو الطاقة فيه. في هذه الحالة، نحن لا نتحدث عن حالة التوازن، ولكن عن حالة ثابتة.

تسمى حالة النظام الديناميكي الحراري، التي تتميز في ظل ظروف خارجية ثابتة بثبات المعلمات مع مرور الوقت وغياب التدفقات في النظام، بالتوازن.

حالة التوازن- الحالة الحدية التي يميل إليها النظام الديناميكي الحراري المعزول عن التأثيرات الخارجية. ينبغي فهم حالة العزل بمعنى أن معدل عمليات تحقيق التوازن في النظام أعلى بكثير من معدل التغير في الظروف عند حدود النظام. ومن الأمثلة على ذلك عملية احتراق الوقود في غرفة الاحتراق لمحرك الصاروخ. زمن بقاء عنصر الوقود في الغرفة قصير جدًا (10_3 - 1(N s)، ومع ذلك، فإن الوقت اللازم لتحقيق التوازن هو حوالي 10 ~ 5 ثواني. ومثال آخر هو أن العمليات الجيوكيميائية في القشرة الأرضية تسير ببطء شديد ، لكن عمر الأنظمة الديناميكية الحرارية من هذا النوع يتم حسابه بملايين السنين، وبالتالي، في هذه الحالة، يكون نموذج التوازن الديناميكي الحراري قابلاً للتطبيق.

باستخدام المفهوم المقدم، يمكننا صياغة الافتراض التالي: هناك حالات خاصة للأنظمة البسيطة - تلك التي تتميز بالكامل بالقيم العيانية للطاقة الداخلية ش، مقدار الخامسوأعداد الشامات ص و ص٢ >ط، المكونات الكيميائية. إذا كان النظام قيد النظر لديه خصائص ميكانيكية وكهربائية أكثر تعقيدا، فإن عدد المعلمات المطلوبة لتوصيف حالة التوازن يزداد (من الضروري مراعاة وجود قوى التوتر السطحي، ومجالات الجاذبية والكهرومغناطيسية، وما إلى ذلك).

من الناحية العملية، يجب على المجرب دائمًا تحديد ما إذا كان النظام قيد الدراسة في حالة توازن. ولهذا فإن غياب التغييرات المرئية في النظام لا يكفي! على سبيل المثال، قد يكون لقضيبين من الفولاذ نفس التركيب الكيميائي، لكن خصائصهما مختلفة تمامًا بسبب المعالجة الميكانيكية (التزوير، الضغط)، المعالجة الحرارية، إلخ. واحد منهم. إذا لم يكن من الممكن وصف خصائص النظام قيد الدراسة باستخدام الجهاز الرياضي للديناميكا الحرارية، فهذا ربمايعني أن النظام ليس في حالة توازن.

في الواقع، عدد قليل جدًا من الأنظمة يصل إلى حالة التوازن المطلق. وعلى وجه الخصوص، في هذه الحالة يجب أن تكون جميع المواد المشعة في حالة مستقرة.

يمكن القول بأن النظام يكون في حالة توازن إذا تم وصف خصائصه بشكل مناسب باستخدام جهاز الديناميكا الحرارية.

من المفيد أن نتذكر أنه في الميكانيكا، توازن النظام الميكانيكي هو حالة النظام الميكانيكي تحت تأثير القوى، حيث تكون جميع نقاطه في حالة سكون بالنسبة للنظام المرجعي قيد النظر.

دعونا نلقي نظرة على مثالين يشرحان مفهوم التوازن في الديناميكا الحرارية. إذا تم إنشاء اتصال بين النظام الديناميكي الحراري والبيئة، فستبدأ في الحالة العامة عملية ستكون مصحوبة بتغيير في بعض معلمات النظام. في هذه الحالة، لن تتغير بعض المعلمات. دع النظام يتكون من أسطوانة بها مكبس (الشكل 1.9). في اللحظة الأولى من الزمن، تم إصلاح المكبس. على يمينه ويساره غاز. الضغط على يسار المكبس هو راه على اليمين - رفي و ع أ > ص بإذا قمت بإزالة السحابة، فسيتم تحرير المكبس والبدء في التحرك إلى اليمين، في حين أن حجم النظام الفرعي أسيبدأ في الزيادة، وسيبدأ الصحيح في الانخفاض (-D الخامس ب =د الخامس أ).النظام الفرعي أيفقد الطاقة، والنظام الفرعي فييكتسبها، الضغط ص أقطرات الضغط ص فييزداد حتى يصبح الضغط على يسار المكبس متساويا ويمينه. في هذه الحالة، لا تتغير كتل الغاز في الأنظمة الفرعية الموجودة على يسار ويمين المكبس. وهكذا، في العملية قيد النظر، يتم نقل الطاقة من نظام فرعي إلى آخر بسبب التغيرات في الضغط والحجم. المتغيرات المستقلة في العملية التي تم النظر فيها هي الضغط والحجم. ستأخذ معلمات الحالة هذه قيمًا ثابتة بعد مرور بعض الوقت على تحرير المكبس وستظل دون تغيير طالما لم يتأثر النظام من الخارج. الحالة المحققة هي التوازن.

حالة التوازن -إنها الحالة النهائية لعملية تفاعل نظام واحد أو أكثر مع بيئتهم.

كما هو واضح من المثال أعلاه، تعتمد معلمات النظام في حالة التوازن على الحالة الأولية للنظام (أنظمته الفرعية) والبيئة. تجدر الإشارة إلى أن العلاقة المشار إليها بين الحالتين الأولية والنهائية هي من جانب واحد ولا تسمح باستعادة حالة عدم التوازن الأولية بناءً على معلومات حول معلمات حالة التوازن.

أرز. 1.9.

يكون النظام الديناميكي الحراري في حالة توازن إذا لم تتغير جميع معلمات الحالة بعد عزل النظام عن الأنظمة الأخرى والبيئة.

كانت القوة الدافعة لعملية تحقيق التوازن هي الفرق في الضغط على يسار ويمين المكبس، أي. اختلاف المعلمات المكثفة. في اللحظة الأولى ع = ص ل -ص الخامس*0، في لحظة النهاية ع = 0، ص" أ = الكهروضوئية-

وكمثال آخر، خذ بعين الاعتبار النظام الموضح في الشكل. 1.10.

أرز. 1.10.

أنظمة شل أو في -غير قابل للتشوه ومقاوم للحرارة (أدياباتيك). في اللحظة الأولى من الزمن، الغاز في النظام فيفي درجة حرارة الغرفة، الماء في النظام أساخنة ضغط النظام فيتقاس بمقياس الضغط. في وقت ما، طبقة عازلة للحرارة بين أو فيتمت إزالته (يظل الجدار غير قابل للتشوه، ولكنه يصبح نفاذيًا للحرارة (انفاذي للحرارة)). ضغط النظام فييبدأ في النمو، فمن الواضح أن الطاقة يتم نقلها من من أ الى ب،وفي الوقت نفسه، لم يتم ملاحظة أي تغييرات واضحة في الأنظمة، ولا توجد حركات ميكانيكية. وبالنظر إلى المستقبل، سنقول إن آلية نقل الطاقة هذه يمكن تبريرها باستخدام القانون الثاني للديناميكا الحرارية. في المثال السابق، في عملية تحقيق التوازن، تم تغيير إحداثيتين - الضغط والحجم. ويمكن الافتراض أنه في المثال الثاني يجب أن يتغير أيضًا إحداثيان، أحدهما الضغط؛ لم نتمكن من ملاحظة التغيير في الثانية.

تظهر التجربة أنه بعد فترة زمنية معينة، تتغير حالة الأنظمة او بسيتوقف عن التغير وسيتم إنشاء حالة من التوازن.

تتعامل الديناميكا الحرارية مع حالات التوازن. يشير مصطلح "التوازن" إلى أن عمل جميع القوى داخل النظام وداخله متوازن. في هذه الحالة، تكون القوى الدافعة صفرًا، ولا توجد تدفقات. لا تتغير حالة نظام التوازن إذا كان النظام معزولاً عن البيئة.

يمكننا النظر في أنواع منفصلة من التوازن: الحراري (الحراري)، والميكانيكي، والطور، والكيميائي.

في نظام في دولة الحراريةفي حالة التوازن تكون درجة الحرارة ثابتة عند أي نقطة ولا تتغير مع الزمن. في نظام في دولة ميكانيكيفي حالة التوازن، يكون الضغط ثابتًا، على الرغم من أن كمية الضغط يمكن أن تختلف من نقطة إلى أخرى (عمود الماء، الهواء). مرحلةالتوازن - التوازن بين مرحلتين أو أكثر من مراحل المادة (البخار - السائل، الجليد - الماء). إذا وصل النظام إلى الدولة المواد الكيميائيةالتوازن، لا يمكن اكتشاف التغيرات في تركيزات المواد الكيميائية فيه.

إذا كان النظام الديناميكي الحراري في حالة توازن، فمن المفترض أنه قد حقق التوازن بجميع أنواعه (الحرارية والميكانيكية والطورية والكيميائية). وإلا فإن النظام ليس في حالة توازن.

العلامات المميزة لحالة التوازن:

• 1) لا يعتمد على الوقت (الثبات)؛
• 2) تتميز بغياب التدفقات (خاصة الحرارة والكتلة)؛
• 3) لا يعتمد على "تاريخ" تطور النظام (النظام "لا يتذكر" كيف وصل إلى هذه الحالة)؛
• 4) مستقرة ضد التقلبات.
• 5) في حالة عدم وجود حقول لا يعتمد موضعها في النظام داخل المرحلة.

حالة النظام الديناميكي الحراري الذي يأتي إليه تلقائيًا بعد فترة زمنية طويلة بما فيه الكفاية في ظل ظروف العزلة عن البيئة، وبعد ذلك لم تعد معلمات حالة النظام تتغير بمرور الوقت. عملية انتقال النظام إلى حالة التوازن تسمى الاسترخاء. عند التوازن الديناميكي الحراري، تتوقف جميع العمليات التي لا رجعة فيها في النظام - التوصيل الحراري، والانتشار، والتفاعلات الكيميائية، وما إلى ذلك. يتم تحديد حالة توازن النظام من خلال قيم معلماته الخارجية (الحجم، شدة المجال الكهربائي أو المغناطيسي، وما إلى ذلك)، وكذلك درجة الحرارة. بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن معلمات حالة نظام التوازن ليست ثابتة تمامًا - ففي الأحجام الصغيرة يمكن أن تواجه تقلبات صغيرة حول قيمها المتوسطة (التقلبات). يتم تنفيذ عزل النظام بشكل عام باستخدام جدران ثابتة لا يمكن اختراقها من قبل المواد. في الحالة التي تكون فيها الجدران الثابتة العازلة للنظام غير موصلة حرارياً عمليًا، يحدث عزل ثابت الحرارة، حيث تظل طاقة النظام دون تغيير. مع وجود جدران موصلة للحرارة (ثنائية الحرارة) بين النظام والبيئة الخارجية، حتى يتم تحقيق التوازن، يكون التبادل الحراري ممكنًا. مع الاتصال الحراري المطول لمثل هذا النظام مع البيئة الخارجية، التي تتمتع بقدرة حرارية عالية جدًا (ثرموستات)، تتساوى درجات حرارة النظام والبيئة ويحدث التوازن الديناميكي الحراري. مع جدران المادة شبه المنفذة، يحدث التوازن الديناميكي الحراري إذا تم تعادل الإمكانات الكيميائية للبيئة والنظام نتيجة لتبادل المادة بين النظام والبيئة الخارجية.

أحد شروط التوازن الديناميكي الحراري هوالتوازن الميكانيكي، حيث لا توجد تحركات عيانية لأجزاء من النظام ممكنة، ولكن الحركة الانتقالية ودوران النظام ككل مسموح به. في غياب المجالات الخارجية ودوران النظام، فإن شرط توازنه الميكانيكي هو ثبات الضغط في كامل حجم النظام. الشرط الضروري الآخر للتوازن الديناميكي الحراري هو ثبات درجة الحرارة والإمكانات الكيميائية في حجم النظام. يمكن الحصول على الظروف الكافية لتحقيق التوازن الديناميكي الحراري من القانون الثاني للديناميكا الحرارية (مبدأ الإنتروبيا القصوى)؛ وتشمل هذه، على سبيل المثال، زيادة الضغط مع انخفاض الحجم (عند درجة حرارة ثابتة) والقيمة الإيجابية للسعة الحرارية عند الضغط الثابت. بشكل عام، يكون النظام في حالة توازن ديناميكي حراري عندما تكون الإمكانات الديناميكية الحرارية للنظام، المقابلة للمتغيرات المستقلة في ظل الظروف التجريبية، في حدها الأدنى. على سبيل المثال:

النظام المعزول (الذي لا يتفاعل على الإطلاق مع البيئة) هو الحد الأقصى من الإنتروبيا.

النظام المغلق (يتبادل الحرارة فقط مع منظم الحرارة) هو الحد الأدنى من الطاقة المجانية.

النظام ذو درجة الحرارة والضغط الثابتين هو الحد الأدنى من إمكانات جيبس.

النظام ذو الإنتروبيا الثابتة والحجم هو الحد الأدنى من الطاقة الداخلية.

نظام ذو إنتروبيا وضغط ثابتين - الحد الأدنى من المحتوى الحراري.

13. مبدأ لو شاتيليه براون

إذا تأثر النظام الموجود في توازن مستقر من الخارج عن طريق تغيير أي من ظروف التوازن (درجة الحرارة والضغط والتركيز)، فسيتم تكثيف العمليات في النظام التي تهدف إلى التعويض عن التأثير الخارجي.

تأثير درجة الحرارةيعتمد على علامة التأثير الحراري للتفاعل. مع ارتفاع درجة الحرارة، ينزاح التوازن الكيميائي في اتجاه التفاعل الماص للحرارة، ومع انخفاض درجة الحرارة، في اتجاه التفاعل الطارد للحرارة. في الحالة العامة، عندما تتغير درجة الحرارة، يتحول التوازن الكيميائي نحو عملية تتزامن فيها إشارة تغير الإنتروبيا مع إشارة تغير درجة الحرارة. على سبيل المثال، في تفاعل تصنيع الأمونيا:

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q - التأثير الحراري في ظل الظروف القياسية هو +92 كيلوجول/مول، والتفاعل طارد للحرارة، وبالتالي فإن الزيادة في درجة الحرارة تؤدي إلى تحول في التوازن نحو المواد البادئة وانخفاض في ناتج منتج.

يؤثر الضغط بشكل كبيرعلى وضع التوازن في التفاعلات التي تنطوي على مواد غازية، مصحوبة بتغير في الحجم بسبب تغير في كمية المادة أثناء الانتقال من المواد الأولية إلى المنتجات: مع زيادة الضغط، يتحول التوازن في الاتجاه الذي يكون فيه العدد الإجمالي للمواد تتناقص مولات الغازات والعكس صحيح.

في تفاعل تخليق الأمونيا، تنخفض كمية الغازات إلى النصف: N2 + 3H2 ↔ 2NH3، مما يعني أنه مع زيادة الضغط يتحول التوازن نحو تكوين NH3.

يعمل أيضًا إدخال الغازات الخاملة في خليط التفاعل أو تكوين غازات خاملة أثناء التفاعلوكذلك انخفاض الضغط حيث ينخفض ​​الضغط الجزئي للمواد المتفاعلة. وتجدر الإشارة إلى أنه في هذه الحالة يعتبر الغاز الذي لا يشارك في التفاعل غازًا خاملًا. في الأنظمة التي يتناقص فيها عدد مولات الغازات، تعمل الغازات الخاملة على تحويل التوازن نحو المواد الأم، لذلك، في عمليات الإنتاج التي يمكن أن تتشكل فيها الغازات الخاملة أو تتراكم، يلزم التطهير الدوري لخطوط الغاز.

تأثير التركيزتخضع حالة التوازن للقواعد التالية:

عندما يزداد تركيز إحدى المواد البادئة، ينتقل التوازن نحو تكوين نواتج التفاعل؛

عندما يزداد تركيز أحد نواتج التفاعل، ينتقل التوازن نحو تكوين المواد الأولية.

) في ظروف العزلة عن البيئة. بشكل عام، هذه القيم ليست ثابتة، فهي تتقلب (تتأرجح) فقط حول قيمها المتوسطة. إذا كان نظام التوازن يتوافق مع عدة حالات، في كل منها يمكن أن يبقى النظام إلى أجل غير مسمى، يقال أن النظام في حالة توازن شبه مستقر. في حالة التوازن، لا توجد تدفقات للمادة أو الطاقة في النظام، ولا توجد إمكانات توازن (أو قوى دافعة)، أو تغيرات في عدد المراحل الموجودة. التمييز بين التوازن الحراري والميكانيكي والإشعاعي (المشع) والكيميائي. ومن الناحية العملية، تعني حالة العزل أن عمليات تحقيق التوازن تسير بشكل أسرع بكثير من التغيرات التي تحدث عند حدود النظام (أي التغيرات في الظروف الخارجية للنظام)، ويتبادل النظام المادة والطاقة مع بيئته. وبعبارة أخرى، يتم تحقيق التوازن الديناميكي الحراري إذا كان معدل عمليات الاسترخاء مرتفعا بما فيه الكفاية (كقاعدة عامة، وهذا هو الحال بالنسبة للعمليات ذات درجة الحرارة المرتفعة) أو أن الوقت اللازم لتحقيق التوازن طويل (تحدث هذه الحالة في العمليات الجيولوجية).

في العمليات الحقيقية، غالبا ما يتحقق التوازن غير الكامل، ولكن درجة عدم الاكتمال يمكن أن تكون كبيرة أو غير ذات أهمية. في هذه الحالة، هناك ثلاثة خيارات ممكنة:

1. يتم تحقيق التوازن في أي جزء (أو أجزاء) من نظام كبير نسبيا - التوازن المحلي،
2. ويتحقق التوازن غير الكامل نتيجة للاختلاف في معدلات عمليات الاسترخاء التي تحدث في النظام - التوازن الجزئي،
3. يحدث التوازن المحلي والجزئي.

في الأنظمة غير المتوازنة، تحدث تغييرات في تدفق المادة أو الطاقة، أو على سبيل المثال، في المراحل.

استقرار التوازن الديناميكي الحراري

تسمى حالة التوازن الديناميكي الحراري مستقرة إذا لم يكن هناك تغيير في المعلمات العيانية للنظام في هذه الحالة.

معايير الاستقرار الديناميكي الحراري للأنظمة المختلفة:

• نظام معزول (لا يتفاعل على الإطلاق مع البيئة).- الانتروبيا القصوى.
• نظام مغلق (يتم تبادل الحرارة فقط مع منظم الحرارة)- الحد الأدنى من الطاقة المجانية.
• نظام درجة حرارة وضغط ثابت- الحد الأدنى من إمكانات جيبس.
• نظام ذو إنتروبيا وحجم ثابتين- الحد الأدنى من الطاقة الداخلية.
• نظام ذو إنتروبيا وضغط ثابتين- الحد الأدنى من المحتوى الحراري.

أنظر أيضا

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

انظر ما هو "التوازن الديناميكي الحراري" في القواميس الأخرى:

- (انظر التوازن الحراري). القاموس الموسوعي المادي. م: الموسوعة السوفيتية. رئيس التحرير أ. م. بروخوروف. 1983. التوازن الديناميكي الحراري ... الموسوعة الفيزيائية

انظر التوازن الديناميكي الحراري... القاموس الموسوعي الكبير

التوازن الديناميكي الحراري - (2) … موسوعة البوليتكنيك الكبيرة

التوازن الديناميكي الحراري- حالة التوازن الديناميكي الحراري: غياب السائل المسخن والبخار فائق التبريد. [أ.س. غولدبرغ. قاموس الطاقة الإنجليزي الروسي. 2006] موضوعات الطاقة بشكل عام مرادفات حالة التوازن الديناميكي الحراري EN الحرارة... ... دليل المترجم الفني

انظر التوازن الديناميكي الحراري. * * * التوازن الديناميكي الحراري التوازن الديناميكي الحراري، انظر التوازن الديناميكي الحراري (انظر التوازن الديناميكي الحراري) ... القاموس الموسوعي

التوازن الديناميكي الحراري- هي حالة النظام التي لا تتغير فيها معلماته العيانية بمرور الوقت. في هذه الحالة من النظام، لا توجد عمليات مصحوبة بتبديد الطاقة، على سبيل المثال، تدفقات الحرارة أو التفاعلات الكيميائية. من نقطة مجهرية...... علم الحفريات المغناطيسية وعلم المغناطيسية النفطية والجيولوجيا. كتاب مرجعي القاموس.

التوازن الديناميكي الحراري- تعمل أنظمة التدفئة الحرارية على تحسين حالة المواد الكيميائية التي لا تحتاج إلى استخدام وسائل الطاقة. السمات: الإنجليزية. التوازن الديناميكي الحراري روس. التوازن الديناميكي الحراري... تنتهي الكيمياء بحياة جديدة

التوازن الديناميكي الحراري- termodinaminė pusiausvyra Statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. التوازن الديناميكي الحراري vok. الديناميكا الحرارية Gleichgewicht، n rus. التوازن الديناميكي الحراري، ن برانك. équilibre thermodynamique, m… Fizikos terminų žodynas

إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه

سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.

نشر على http://www.allbest.ru/

نشر على http://www.allbest.ru/

وزارة التربية والتعليم في جمهورية بيلاروسيا

مؤسسة تعليمية

"جامعة ولاية غوميل

سميت على اسم فرانسيسك سكارينا"

قسم الأحياء

قسم الكيمياء

شروبية

نظرية التوازن الديناميكي الحراري

مكتمل

طالب المجموعة Bi-31 أ.ن. كوتسور

لقد راجعت S.M. بانتيليفا

جوميل 2016

• 1. أنواع مختلفة من التوازن
• 1.1 التوازن غير المكتمل (المستقر).
• 1.2 توازن المرحلة
• 1.3 التوازن الديناميكي الحراري المحلي
• 2. معايير الرجوع كمعايير التوازن
• 3. بعض شروط استقرار التوازن
• قائمة المصادر المستخدمة

1 . رأنواع مختلفة من التوازن

1. 1 توازن غير كامل (مستقر).

وتنص صياغة مبدأ اللارجعة على أن الحالة المقيدة (التوازن) تحدث بمرور الوقت، عاجلاً أم آجلاً بالطبع، وأن علامتها هي توقف جميع التغيرات (عدم التقلب) في النظام. ومع ذلك، فمن السهل إعطاء أمثلة عندما يمتد هذا "بمرور الوقت" إلى ما لا نهاية، ولا يدخل النظام "في حد ذاته" في حالة توازن على الإطلاق، ويظل في حالة أخرى، حيث لا توجد تغييرات مرئية أيضًا. لنأخذ على سبيل المثال خليطًا غازيًا من الهيدروجين واليود، معزولًا بشكل ثابت الحرارة في وعاء مغلق. يمكن أخذ عدد ذرات اليود وذرات الهيدروجين بشكل تعسفي. وفي الحالة الحدية التي يجب أن يمر بها هذا الخليط وفقا لمبدأ اللارجعة، يجب أن يتم تحديد جميع خصائصه بشكل فريد من خلال حجم الوعاء وطاقة الخليط وكميات ذرات H و J فيه. ، في الحالة المقيدة، يجب أن يتحد عدد معين تمامًا من ذرات H في جزيئات H 2، ويجب الحصول على عدد محدد تمامًا من ذرات J - في جزيئات J 2 وعدد محدد تمامًا من جزيئات HJ. وبالتالي، عندما يقترب الخليط من التوازن، يجب أن تحدث فيه تفاعلات، وما إلى ذلك.

ومع ذلك، إذا كانت درجة حرارة الغاز ليست عالية جدا، فإن مثل هذه التحولات (على سبيل المثال، تفكك جزيئات H 2) لا تحدث تقريبا أثناء تصادمات الجسيمات. وبشكل عام، فإن إعادة ترتيب الذرات في الجزيئات هي عملية تحدث غالبًا ببطء شديد وصعوبة بدون محفزات. لذلك، في الواقع، عندما تتوقف التغيرات في الخليط، سيكون هناك تقريبًا نفس الكميات من ذرات H وJ الحرة ونفس الكميات من جزيئات H2 وJ2 وHJ التي كانت موجودة في البداية، وفي هذه الحالة يمكن أن يبقى الخليط لمدة وقت طويل جدا. إنه "يبقى" في حالة ليست في الأساس متوازنة على الإطلاق، وهو ما يمكن رؤيته من خلال تحفيز التفاعلات التي لا تحدث فيه. على سبيل المثال، إذا تم إضاءة الخليط، فسيبدأ فيه تحول متفجر سريع جدًا لجزيئات H 2 و J 2 إلى H J وسيدخل الخليط إلى "توازن" جديد، غير مكتمل مرة أخرى، نظرًا لأن تفاعل H 2 2H لا يزال لن يحدث.

إذا لم يتم تحقيق التوازن الكامل أبدًا، فإن مبدأ اللارجعة نفسه يبدو أنه يفقد طابعه المطلق؛ ومن الواضح أن هناك حاجة إلى صياغة جديدة. ولا يمكن حل هذا السؤال دون توضيح معنى مفهوم التوازن غير الكامل. إذا ميزنا بشكل عام بين حالات التوازن (حتى لو لم يكن بشكل كامل) وحالات عدم التوازن، فإننا بحاجة إلى فهم كيفية اختلافهما. ما هو الفرق الأول بين التوازن الكامل وغير الكامل؟ توازن غير مكتمل - هذا توازن حقيقي في نظام يتم فيه إصلاح بعض الخصائص التي يمكن أن تتغير في حالة عدم وجود عوامل مثبطة. غالبًا ما تسمى الكميات التي تحدد قيمها أي خاصية داخلية للنظام بالمعلمات الداخلية. يمكننا القول أن التوازن غير الكامل هو توازن حقيقي في نظام ذي معلمات داخلية ثابتة. يمكن تصور تثبيت المعلمات الداخلية كنتيجة لعمل بعض القوى الإضافية، التي تحت تأثيرها تتوقف بعض العمليات البطيئة الحركة في النظام تمامًا. وبطبيعة الحال، يتم تقديم هذه القوى فقط بشكل مجرد. يبدو أن النظام ذو المعلمات الداخلية الثابتة يصبح نظامًا آخر - مع حركات داخلية أخرى أو مع مجموعة مختلفة من الحالات الدقيقة. ويتحقق التوازن الحقيقي عندما لا تكون هناك أسباب تتداخل مع الحركات الداخلية، وعندما تكتمل جميع العمليات التي تحدث في النظام. إذا كانت بعض العمليات تسير ببطء شديد ولا ننتظر اكتمالها، أو إذا أدت بعض الأسباب إلى إيقاف العمليات الداخلية الفردية تمامًا، فإننا نتعامل كما لو كنا مع نظام جديد، يكون تنوع الحالات الدقيقة فيه أقل من النظام غير المقيد . في مثال خليط الغاز، يتم لعب دور المعلمات الداخلية من خلال أعداد جزيئات H 2 وJ 2. ويتم استبعاد الحالات التي تختلف فيها كميات هذه الجزيئات عن تلك الأصلية بشكل كامل، بحيث تعتبر جزيئات H 2 و J 2 جزيئات غير قابلة للتجزئة. في مثال المغناطيس، من المفترض أن العزوم المغناطيسية للمجالات الفردية لا يمكن أن تتغير. وبالتالي، فإننا نفترض الافتراض التالي: التوازن الجزئي هو توازن حقيقي في نظام ذي معلمات داخلية ثابتة. ولإثبات ذلك، يجب على المرء أن يكون مقتنعا بإمكانية تطبيق مبدأ اللارجعة على الأنظمة ذات المعلمات الثابتة. لا يكاد يكون هناك أي سبب للشك في هذا. ومع ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن تثبيت المعلمات الداخلية لا ينبغي أن يكون بحيث ينقسم النظام فعليًا إلى أجزاء غير مرتبطة. من المستحسن التمييز بين الحالات التي تكون فيها الحركات المخفية غير مقيدة تمامًا (إلى الحد الذي تسمح به المعلمات الثابتة)، حتى مع عدم تغيير المعلمات الميكانيكية للأجزاء الفردية من النظام، والحالات التي تكون فيها الأجزاء الفردية من النظام معزولة بشكل عام عن بعضها البعض أو يمكنها نقل الحركة لبعضها البعض فقط عند تغيير المعلمات الميكانيكية للأجزاء الفردية، أي من خلال الأنظمة الميكانيكية. في الحالة الأولى سنسمي النظام متجانسًا حراريًا، وفي الحالة الثانية - غير متجانسة حراريا. إن النظام المتجانس حرارياً ذو المعلمات الثابتة يطيع تمامًا مبدأ اللارجعة وينتقل في ظل ظروف خارجية ثابتة إلى حالة مقيدة ستكون بمثابة توازن حقيقي له ؛ بالنسبة لنظام ذو معلمات داخلية حرة، فإن مثل هذه الحالة تعتبر توازنًا غير كامل. لا يعتمد هذا التوازن غير المكتمل على الحالة الأولية للنظام إذا كانت المعلمات الثابتة تحتوي في البداية على القيم المطلوبة (الثابتة). وفي حالة التوازن غير الكامل، لا يوجد أيضًا أي أثر للعملية التي أدت إليه. على سبيل المثال، يمكن أخذ خليط من كميات معينة من جزيئات H 2 و J 2 في حجم معين وبطاقة معينة في مجموعة واسعة من الحالات الأولية: يمكن وضع جزيئات الخليط بشكل عشوائي في الحجم، والطاقة يمكن توزيعها بينهم بعدة طرق. سيكون التوازن النهائي (غير الكامل) (التوازن بكميات ثابتة من جزيئات H 2 و J 2) هو نفسه دائمًا. نظرًا لأن أي حالة ميكروية في النظام قيد النظر بكميات معينة من H2 وJ2 يمكن أن تتحول إلى أي حالة ميكروية أخرى من هذا القبيل، فإن النظام يكون متجانسًا حراريًا. بالنسبة للأنظمة غير المتجانسة حراريا، لا ينطبق مبدأ اللارجعة، ومن الواضح السبب. قد لا تكون طاقة كل جزء من هذا النظام ثابتة. من المفترض أن طاقة أي جزء تتغير فقط عندما تتغير معلماته الميكانيكية. ومع ذلك، إذا كانت القوى المؤثرة من عدة أجزاء من النظام على طول هذه المعلمات تضيف ما يصل إلى الصفر (التوازن)، فستظل المعلمات دون تغيير. عندها ستكون طاقة الجزء المعتبر من النظام ثابتة ويحدث فيه توازن تحدده قيم معلماته الميكانيكية وطاقته. ولكن هذه الطاقة (لطاقة إجمالية معينة للنظام) وقيم المعلمات الميكانيكية (لقيم معينة من المعلمات الميكانيكية الخارجية للنظام بأكمله) يمكن أن تكون مختلفة؛ عندها سيكون للنظام بأكمله عدة توازنات تحت نفس الظروف الخارجية ونفس الطاقة.

التوازن الديناميكي الحراري متساوي الضغط

1. 2 مرحلةحالة توازن

توازن الطور، الوجود المتزامن لمراحل التوازن الديناميكي الحراري في نظام متعدد الأطوار. أبسط الأمثلة هي توازن السائل مع بخاره المشبع، وتوازن الماء والجليد عند نقطة الانصهار، وفصل خليط من الماء وثلاثي إيثيل أمين إلى طبقتين غير قابلتين للامتزاج (مرحلتين) يختلفان في التركيز. يمكن أن تكون مرحلتان من المغناطيس الحديدي لهما نفس محور المغنطة، لكن اتجاهات مغنطة مختلفة، في حالة توازن (في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي)؛ المراحل العادية وفائقة التوصيل للمعدن في مجال مغناطيسي خارجي، وما إلى ذلك. عندما ينتقل جسيم من مرحلة إلى أخرى في ظل ظروف التوازن، فإن طاقة النظام لا تتغير. وبعبارة أخرى، في حالة التوازن، تكون الإمكانات الكيميائية لكل مكون هي نفسها في المراحل المختلفة. وهذا يعني ضمنيًا قاعدة طور جيبس: في المادة التي تتكون من مكونات k، لا يمكن أن يوجد أكثر من مراحل توازن k + 2 في وقت واحد. على سبيل المثال، في المادة ذات المكون الواحد، لا يتجاوز عدد الأطوار الموجودة في وقت واحد ثلاث (انظر النقطة الثلاثية).عدد درجات الحرية الديناميكية الحرارية، أي المتغيرات (المعلمات الفيزيائية) التي يمكن تغييرها دون انتهاك شروط الطور التوازن، يساوي

حيث j هو عدد مراحل التوازن.

على سبيل المثال، في نظام مكون من مكونين، قد تكون المراحل الثلاث في حالة توازن عند درجات حرارة مختلفة، ولكن ضغط وتركيزات المكونات يتم تحديدها بالكامل بواسطة درجة الحرارة. يتم تحديد التغير في درجة حرارة المرحلة الانتقالية (الغليان، الانصهار، وما إلى ذلك) مع تغير متناهي الصغر في الضغط بواسطة معادلة كلابيرون-كلوزيوس. الرسوم البيانية التي تصور اعتماد بعض المتغيرات الديناميكية الحرارية على غيرها في ظل ظروف توازن الطور تسمى خطوط التوازن (السطوح)، ويسمى مجموعها مخططات الحالة. يمكن أن يتقاطع خط توازن الطور مع خط توازن آخر (النقطة الثلاثية) أو ينتهي عند نقطة حرجة.

في المواد الصلبة، بسبب بطء عمليات الانتشار التي تؤدي إلى التوازن الديناميكي الحراري، تنشأ مراحل غير متوازنة، والتي يمكن أن توجد مع مراحل التوازن. في هذه الحالة، قد لا يتم استيفاء قاعدة المرحلة. كما أن قاعدة الطور غير مستوفاة أيضًا في الحالة التي لا تختلف فيها المراحل الموجودة على منحنى التوازن عن بعضها البعض (انظر انتقالات الطور).

في العينات الضخمة، في غياب قوى بعيدة المدى بين الجسيمات، يكون عدد الحدود بين مراحل التوازن ضئيلًا. على سبيل المثال، في حالة التوازن على مرحلتين هناك واجهة مرحلة واحدة فقط. إذا كان هناك في مرحلة واحدة على الأقل مجال طويل المدى (كهربائي أو مغناطيسي) ينبثق من المادة، فإن حالات التوازن الأكثر ملاءمة من الناحية النشطة مع عدد كبير من حدود الطور الموجودة بشكل دوري (المجالات المغناطيسية الحديدية والكهروضوئية، حالة وسيطة من الموصلات الفائقة) ومثل هذا الترتيب من المراحل التي لا يترك المجال طويل المدى الجسم. يتم تحديد شكل واجهة الطور من خلال حالة الحد الأدنى من الطاقة السطحية. وهكذا، في خليط مكون من مكونين، بشرط أن تكون كثافات الطور متساوية، يكون للواجهة شكل كروي. يتم تحديد قطع البلورات بواسطة تلك المستويات التي تكون طاقة سطحها ضئيلة.

1.3 التوازن الديناميكي الحراري المحلي

أحد المفاهيم الأساسية للديناميكا الحرارية للعمليات غير المتوازنة وميكانيكا الاستمرارية؛ التوازن في أحجام صغيرة جدًا (أولية) من الوسط، والتي لا تزال تحتوي على عدد كبير من الجسيمات (الجزيئات، الذرات، الأيونات، إلخ) بحيث يمكن وصف حالة الوسط في هذه الأحجام المتناهية الصغر فيزيائيًا بدرجة الحرارة ت(x)، الكيمياء. الإمكانات (س) وغيرها من المعلمات الديناميكية الحرارية، ولكنها ليست ثابتة، كما هو الحال في التوازن الكامل، ولكنها تعتمد على الفضاء، والإحداثيات س والزمن. معلمة أخرى L.T.R. - السرعة الهيدروديناميكية و (x) - تميز سرعة حركة مركز كتلة عنصر الوسط. في L.T.R. عناصر البيئة، فإن حالة البيئة ككل غير متوازنة. إذا تم اعتبار العناصر الصغيرة للوسط بمثابة أنظمة فرعية متوازنة ديناميكيًا حراريًا تقريبًا مع مراعاة تبادل الطاقة والزخم والمادة فيما بينها على أساس معادلات التوازن، فإن مشاكل الديناميكا الحرارية للعمليات غير المتوازنة يتم حلها بطرق الديناميكا الحرارية والميكانيكا . في ولاية L.T.R. كثافة الإنتروبيا s(z) لكل وحدة كتلة هي دالة لكثافة الطاقة الداخلية وتركيزات المكونات Сk(x)، كما هو الحال في حالة التوازن الديناميكي الحراري. تظل المساواة الديناميكية الحرارية صالحة لعنصر الوسط عندما يتحرك على طول مسار مركز كتلته:

حيث غراد (x) هو الضغط، وهو حجم محدد.

تتيح الفيزياء الإحصائية توضيح مفهوم L.T.R. وبيان حدود تطبيقه. مفهوم L.T.R. يتوافق مع وظيفة توزيع التوازن محليا Fكثافة الطاقة والزخم والكتلة، والتي تتوافق مع الحد الأقصى من إنتروبيا المعلومات لمتوسط ​​قيم معينة لهذه الكميات كوظائف للإحداثيات والوقت:

أين ز- المجموع الإحصائي، (x) - المتغيرات الديناميكية (وظائف الإحداثيات وعزم الدوران لجميع جزيئات النظام)، المقابلة لكثافة الطاقة (في نظام إحداثي يتحرك بسرعة هيدروديناميكية) وكثافة الكتلة. باستخدام دالة التوزيع هذه، يمكن تحديد مفهوم إنتروبيا حالة عدم التوازن على أنها إنتروبيا حالة التوازن المحلي هذه، والتي تتميز بنفس قيم كثافات الطاقة والزخم والكتلة مثل حالة عدم التوازن تحت اعتبار. ومع ذلك، فإن توزيع التوازن محليا يسمح بالحصول على ما يسمى بالمعادلات فقط. الهيدروديناميكية المثالية التي لا تأخذ في الاعتبار العمليات التي لا رجعة فيها. للحصول على معادلات الهيدروديناميكية التي تأخذ في الاعتبار العمليات التي لا رجعة فيها للتوصيل الحراري واللزوجة والانتشار (أي نقل الظاهرة)، من الضروري اللجوء إلى المعادلة الحركية للغازات أو إلى معادلة ليوفيل، الصالحة لأي وسط، والبحث عن الحلول التي تعتمد على الإحداثيات والزمن فقط من خلال متوسط ​​قيم المعلمات التي تحدد حالة عدم التوازن. والنتيجة هي دالة توزيع غير متوازنة، والتي تسمح للمرء باستخلاص جميع المعادلات التي تصف عمليات نقل الطاقة والزخم والمادة (معادلات الانتشار والتوصيل الحراري ومعادلات نافييه ستوكس).

2. معايير الرجوع كمعايير التوازن

الاستفادة من حقيقة أنه في عملية عكسية متساوية الحرارة د utش = ت utس. دعونا نشتق معايير توازن النظام الديناميكي الحراري التعسفي، بناءً على حقيقة أن التوازن شرط ضروري لعكس العملية، وبالتالي، فإن كل حالة من الحالات التي يمر من خلالها النظام في عملية عكسية تتحول إلى أن تكون حالة التوازن. ويترتب على ذلك: أن معايير الانعكاس هي دائمًا في نفس الوقت معايير التوازن. يستخدم هذا الظرف في الديناميكا الحرارية: يتم تحديد الحالات التي يمكن أن تحدث فيها عملية عكسية، وتعتبر كل حالة من هذا القبيل حالة توازن. حاليًا في الديناميكا الحرارية لا توجد وسيلة أخرى لإيجاد حالات التوازن. ومع ذلك، عند استخدام معايير الانعكاس بدلاً من معايير التوازن، يجب على المرء أن يتذكر أن التوازن شرط ضروري ولكنه غير كافٍ للانعكاس، أي أنه بالإضافة إلى حالات التوازن التي يمكن أن تبدأ فيها العملية الانعكاسية، هناك أيضًا حالات توازن يمكن فيها الانعكاس العملية مستحيلة. من هذا يتضح أنه باستخدام معايير الانعكاس كمعايير التوازن، من الممكن تحديد ليس كل حالات التوازن، ولكن جزء منها فقط. وهذا ما يفسر الحقيقة المعروفة وهي أن جميع حالات التوازن التي تنبأت بها الديناميكا الحرارية تحدث بالفعل؛ ولكن، بالإضافة إلى ذلك، هناك حالات لا يمكن التنبؤ بها بواسطة الديناميكا الحرارية. وفي الوقت نفسه، في بعض هذه المخاليط على نطاق درجة حرارة كبير إلى حد ما عند حجم ثابت، يظل تكوين التوازن ثابتًا أيضًا، أي أن هناك سلسلة مستمرة من التوازنات ويتم الإشارة إلى واحد منها فقط بواسطة الديناميكا الحرارية.

3. بعض شروط استقرار التوازن

يسمح لنا التحليل الديناميكي الحراري الخاص بإظهار أنه، لأسباب تتعلق بالاستقرار الديناميكي الحراري للنظام، يجب تلبية العلاقات التالية لأي مادة:

أي، أولاً، تكون السعة الحرارية المتساوية C v دائمًا موجبة، وثانيًا، في عملية متساوية الحرارة، تؤدي زيادة الضغط دائمًا إلى انخفاض حجم المادة. الحالة (1) تسمى حالة الثبات الحراري، والحالة (2) تسمى حالة الثبات الميكانيكي. يمكن تفسير الشرطين (1) و (2) بما يسمى مبدأ إزاحة التوازن (مبدأ لو شاتيليه-براون)، ومعنى ذلك أنه إذا تم إخراج نظام كان في حالة توازن منه، فإن المعلمات المقابلة له يتغير النظام بحيث يعود النظام إلى حالة التوازن. إن شروط الاستقرار الديناميكي الحراري للنظام واضحة حتى بدون حسابات رسمية. دعونا نتخيل أن السعة الحرارية السيرة الذاتيةبعض المواد سلبية. وهذا يعني لأن السيرة الذاتية = دق الخامس/ دي تيأن إمداد المادة بالحرارة بحجم ثابت من هذه المادة لن يؤدي إلى زيادة في درجة الحرارة بل إلى انخفاض. وبالتالي، كلما زادت الحرارة التي نوفرها لمادة ما في عملية متساوية، كلما زاد الفرق بين درجات حرارة هذه المادة ومصدر الحرارة (البيئة).

لاشتقاق شروط الاستقرار، يمكننا أن نفترض أنه مع انحراف بسيط عن موضع التوازن، يكون النظام متجانسًا في المعلمات الداخلية T و p، ولكن TT o ، PP o حتى يتحقق التوازن. يمكننا الاستغناء عن هذا الافتراض ولا نعتبر النظام بأكمله، ولكن جزءا صغيرا منه يمكن اعتباره متجانسا في النوع. وستكون النتيجة نفسها. وعلى حسب (49) نكتب

دو-T جدي إس + ص جدف=-T ج(د أناس+د أناس وجهة نظر)

إذا خرج النظام من حالة التوازن المستقر، فبما أن الطرف الأيمن موجب، إذن

دو-T جدي إس + ص جدي في > 0.

وفي حالة انحراف صغير، ولكن ليس متناهي الصغر، عن التوازن المستقر، فلا بد أن يكون هناك

يو تي ج ص + ع ج الخامس>0 (51)

حيث ش=ت S-ص الخامس. باستبدال هذا التعبير في (51) نحصل على شروط الاستقرار للتوازن في النموذج

TS-pV>0، (52)

حيث T=T-T c ,p=p-p c انحرافات T و p عن قيم التوازن منذ ذلك الحين في التوازن T=T c , p=p c .

بالنسبة للأنظمة متساوية الضغط (p=0) و isochoric (V=0)، فإن ظروف استقرار التوازن (52) تأخذ الشكل TS>0

سنقوم إلى أجل غير مسمى بتقريب النظام من التوازن عن طريق تغيير S. ثم

تحت الظروف متساوية الضغط ومتساوية القوام

وبالتالي فإن شرط استقرار التوازن متساوي الضغط له الشكل (53) أي. (54)

شرط استقرار التوازن المتساوي (55) أي . (56)

في الأنظمة متساوية الحرارة (T=0) ومتساوية الحرارة (S=0)، تأخذ الحالة (52) الشكل pV<0. Будем неограниченно приближать систему к равновесию, меняя V. Тогда

في ظروف متساوي الحرارة ومتساوي الانتروبيا

وبالتالي، فإن شرط استقرار التوازن متساوي الحرارة له الشكل. هذا هو (57) أو T >0 (58)

بالنسبة للتوازن المتساوي الانتروبيا - أي (59) أو S >0(60)

تسمى عدم المساواة شروط الاستقرار الحراري، وعدم المساواة T > 0، S > 0 تسمى شروط الاستقرار الميكانيكي لتوازن النظام. يكون توازن النظام متساوي الضغط متساوي الحرارة مستقرًا عندما يتم استيفاء شروط الاستقرار الحراري (54) والميكانيكي (58) T >0 في وقت واحد. المعنى المادي لظروف الاستقرار واضح من اشتقاقها. يكون التوازن الديناميكي الحراري مستقرًا حراريًا إذا كانت التقلبات الحرارية (الانحرافات عن قيمة توازن الإنتروبيا S عند T = const أو درجة الحرارة T عند S = consrt) تجعل النظام في حالة عدم توازن يعود منها إلى حالة التوازن الأصلية. تكون الحالة الديناميكية الحرارية مستقرة ميكانيكيًا إذا كانت التقلبات "الميكانيكية" (الانحرافات عن حجم التوازن Vatp=const أو الضغط PatV=const) تجعل النظام في حالة عدم توازن يعود منها إلى حالة التوازن الأصلية.

يكون التوازن الديناميكي الحراري غير مستقر إذا أدت تقلبات صغيرة اعتباطية إلى إدخال النظام في حالة عدم توازن لا يعود منها إلى حالة التوازن الأصلية، بل ينتقل إلى حالة توازن أخرى.

تجدر الإشارة إلى أنه في ظل هذه الظروف، إذا تبين أن حالة التوازن قيد النظر غير مستقرة (لم يتم استيفاء شروط الاستقرار)، ففي ظل هذه الظروف توجد بالتأكيد حالة توازن أخرى مستقرة. لا يمكن للنظام أن يظل في حالة توازن غير مستقر لفترة طويلة. إن مفهوم حالة التوازن غير المستقر هو مفهوم تعسفي تمامًا. بالمعنى الدقيق للكلمة، لا تتحقق حالات التوازن غير المستقرة. فقط حالات عدم التوازن التي تكون قريبة إلى حد ما أو تقترب من حالات التوازن غير المستقرة يمكن أن توجد.

إذا تم استيفاء جميع شروط الثبات (54)، (56)، (57)، (58)، فإن الخصائص الأربع C P , C V , S T تكون موجبة. في هذه الحالة، كما يتبين من (43) C P > C V، وكما يلي من (37) T > S .

كما يتبين من (36)، P يمكن أن تكون إيجابية وسلبية على حد سواء؛ إشارة P لا يتم تحديدها من خلال ظروف الاستقرار، ومن المعروف من خلال التجربة أن P >0 دائمًا تقريبًا. في هذه الحالة، على النحو التالي من (39) و (40)، تكون معاملات الضغط المتساوي والضغط الأديابي عند استيفاء شروط الاستقرار هي V >0، S >0. إذا تم استيفاء الشروط C P >0، T >0، فمن (41) يتبع ذلك P > S، وبشكل عام، يمكن أن يكون لـ P وS علامات مختلفة.

قائمة المصادر المستخدمة

1. سوروكين، V. S. اللارجعة العيانية والانتروبيا. مقدمة في الديناميكا الحرارية. / ضد. سوروكين. - م: فيزماتليت، 2004. - 176 ص.

2ميخيفا، إي.في. الكيمياء الفيزيائية والغروانية: كتاب مدرسي / E. V. Mikheeva، N. P. Pikula؛ جامعة تومسك البوليتكنيك. - تومسك: تي بي يو، 2010. - 267 ص.

3De Groot، S. الديناميكا الحرارية غير المتوازنة. / س. دي جروت، ب. مازور. م: مير، 1964. - 456 ص.

4 الكيمياء والتكنولوجيا الكيميائية / بعض شروط استقرار التوازن [مصدر إلكتروني] // URL: http://www.chem21.info/page/104.html (تاريخ الوصول 18/04/2016).

تم النشر على موقع Allbest.ru

...

وثائق مماثلة

التحليل الديناميكي الحراري الطوبولوجي لهياكل مخططات توازن الطور. انتظام المجال المتجه للعقد والمجال العددي لدرجات حرارة التوازن. معادلة العلاقة بينهما. الأنماط غير المحلية لمخططات توازن الطور السائل والبخار.

أطروحة، أضيفت في 01/04/2009


حساب تقارب مركبات الحديد للأكسجين الجوي مع ثابت توازن التفاعل المحدد. تحديد كمية المادة المتحللة عند تسخينها. حساب ثابت التوازن للتفاعل CO+0.5O2=CO2 باستخدام طاقة جيبس ​​القياسية.

تمت إضافة الاختبار في 03/01/2008


خصائص التوازن الكيميائي في المحاليل والأنظمة المتجانسة. تحليل اعتماد ثابت التوازن على درجة الحرارة وطبيعة المواد المتفاعلة. وصف عملية تخليق الأمونيا. مخطط مرحلة المياه. دراسة مبدأ لو شاتيليه.

تمت إضافة العرض بتاريخ 23/11/2014


الوضع الحالي للبحث في مجال الأزيوتروبي. التحليل الديناميكي الحراري الطوبولوجي لهياكل مخططات توازن البخار والسائل. نهج جديد لتحديد فئات الرسوم البيانية للأنظمة ثنائية الزيوت المكونة من ثلاثة مكونات. نمذجة الرياضيات.

أطروحة، أضيفت في 11/12/2013


خصائص التوازن الكيميائي. اعتماد معدل التفاعل الكيميائي على تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة والمساحة السطحية للمواد المتفاعلة. تأثير تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة على حالة التوازن.

تمت إضافة العمل المخبري في 10/08/2013


تحضير واستخدام مبيدات سيليكات المنغنيز. التوازن الكيميائي والمرحلة في نظام Mn-Si. النظرية المعممة للحلول "العادية". وظائف الديناميكا الحرارية لتشكيل المركبات بين المعادن. صيغة لاغرانج الاستيفاء. صيغ ميديما وإيستمان.

أطروحة، أضيفت في 13/03/2011


طرق الحساب لتحديد الرقم الهيدروجيني. أمثلة على معادلات تفاعلات التحلل المائي للملح. مفهوم وصيغ لحساب ثابت ودرجة التحلل المائي. تحول التوازن (يمين، يسار) للتحلل المائي. تفكك المواد ضعيفة الذوبان وثابت التوازن لهذه العملية.

محاضرة، أضيفت في 22/04/2013


تحديد ثابت توازن التفاعل. حساب طاقة التنشيط للتفاعل. الضغط الأسموزي للمحلول. رسم تخطيطي للخلية الجلفانية. حساب التركيز المولي للمادة المعادلة. تحديد طاقة التنشيط للتفاعل الكيميائي.

تمت إضافة الاختبار في 25/02/2014


مفهوم ووحدات قياس الامتزاز. اعتماد قيمة الامتزاز على التركيز والضغط ودرجة الحرارة. ايزوثيرم، ايزوبار، ايزوبيكنال، ايزوستير الامتزاز. المواد الخافضة للتوتر السطحي والمواد غير النشطة السطحية. معادلات توازن الامتزاز.

الملخص، تمت إضافته في 22/01/2009


مفهوم التحليل الكيميائي. الأسس النظرية للتحليل الكيميائي الكمي. متطلبات التفاعلات الكيميائية. مفهوم وجوهر مادة مكافئة. مفهوم التوازن الكيميائي وقوانين عمل الكتلة. ثوابت توازن التفاعلات وجوهرها.