توازن ترموديناميكي
التوازن الترموديناميكي أو التوازن الدينامي الحراري في الفيزياء والكيمياء نصف نظام بأنه في حالة توازن ترموديناميكي عندما يكون في حالة توازن حراري وتوازن ميكانيكي وتوازن إشعاعي وتوازن كيميائي. وعندما يكون نظام في حالة توازن ترموديناميكي فلا يحدث فيه انتقال للمادة أو انتقال للطاقة ولا يحدث فيه تطور للمادة ولا تحدث فيه قوى دافعة.فالنظام الذي في حالة توازن ترموديناميكي لا يعتريه أي تغير عندما يكون معزولا عن الوسط المحيط به.
A = U – TS
أو تعرف طاقة جيبس الحرة لنظام بالمعادلة المشابهة التالية، وهي لنظام تثبت فيه درجة الحرارة والضغط :
G = H – TS
حيث :
T = درجة الحرارة, S = الإنتروبية, U = الطاقة الداخلية للنظام H = الإنثالبي.
ويمكننا تصور نظام غاز يحتوي على جزيئات ويكون معزولا عن المؤثرات الخارجية ز في هذا النظام تتصادم الجزيئات بسبب حركتها العشوائية وتتبادل طاقة الحركة، وتتبادل زخم الحركة. أي أن الجزيئات السريعة في النظام تفقد جزءا من سرعتها بسبب تصادمها مع جزيئات بطيئة، في نفس الوقت تكتسب الجزيئات البطيئة جزءا من سرعة الجزيئات السريعة، وبعد فترة من الزمن يصل النظام إلى حالة توازن حركي حراري وتوزع فيه السرعات بطريقة متوازنة يمكننا معرفتها إحصائيا. بعد وصول النظام إلى حالة التوازن هذه لا يحدث فيه تغير، وإنما تبقى الجزيئات موزعة على فئات من السرعات لا تتغير إحصائيا مع الزمن.
ونصل إلى تلك الحالات المختلفة من التوازن عندما نفترض نظامين في الأحوال التالية :
في حالة التوازن الترموديناميكي الموضعي تكون درجة الحرارة والضغط داخل النظام متساوية.وفي حالة التوازن الترموديناميكي الشامل قد تحتلف درجة الحرارة والضغط من منطقة إلى أخرى وتتغير مع الزمن، ولكن تلك التغيرات تكون طفيفة بحيث يمكن اعتبار تواجد توازن ترموديناميكي في منطقة محيطة لأي نقطة فيه.
وعلى سبيل المثال، تحتاج جزيئات غاز لعدد معين من التصادمات لكي تصل إلى حالة توازن في السرعات بينها وبين الوسط المحيط. فإذا كان متوسط المسافة التي تنتشر فيها قصيرة بحيث تبعدها عن منطقة لجوار التي من المفروض أن تتوازن معه، فإنها لا تصل إلى حالة التوازن، ولن توجد حالة توازن موضعي. وتعرف درجة الحرارة على أساس ا تتناسبها مع متوسط الطاقة الداخلية لنظام في حالة توازن ترموديناميكي. فإذا لم تصل المنطقة المحيطة بنقطة معية في النظام إلى حالة التوازن فيصبح تعيين درجة حرارة النظام من الحرارة الداخلية ليس سليما، وتكون النتيجة خاطئة.
ومن المهم ان نعرف أن حالة التوازن الموضعية ينطبق فقط على جسيمات معينة يتكون منها النظام. فعلى سبيل المثال نطبق التوازن الموضعي في حالة جسيمات كبيرة نسبيا، مثل الجزيئات في غاز. وفي حالة غاز يشع فوتونات فإن الفوتونات تصدر من الغاز وتمتص في نفس الوقت منه، ولا نأخذها في الاعتبار عند تعيين التوازن الترموديناميكي لنظام. كذلك في بعض الحالات فلا نحتاج لمراعاة كون الإلكترونات في حالة توازن مع الذرات أو الجزيئات المكونة لنظام موضعي صغير.
وعلى سبيل المثال نجد حالة التوازن الترموديناميكي في حالة كوب به ماء وثلج. ويمكن تعريف درجة الحرارة عند أي نقطة في الكوب ولكنها تكون أكثر برودة بالقرب من الثلج. فإذا قمنا بتعيين طاقة الجزيئات في تلك المنطقة وجدنا أنها تتبع توزيع ماكسويل-بولتزمان عند درجة حرارة معينة. فإذا قمنا بتعيين طاقة جزيئات أخرى في منطقة أخرى فإننا نجد أنها تتبع أيضا توزيع ماكسويل-بولتزمان ولكن عند درجة حرارة أخرى. ويعمل الانتشار على تحول النظام من حالة توازن موضعي إلى حالة توازن شامل. فمثلا بالنسبة إلى مثال كوب الثلح والماء فإن انتشار الحرارة سيؤدي إلى حالة توازن ترموديناميكي شامل مع الوقت ، ونصل إلى حالة تكون فيها درجة حرارة الكوب متساوية في جميع أجزائها . [1]
التوازن الترموديناميكي أو التوازن الدينامي الحراري في الفيزياء والكيمياء نصف نظام بأنه في حالة توازن ترموديناميكي عندما يكون في حالة توازن حراري وتوازن ميكانيكي وتوازن إشعاعي وتوازن كيميائي. وعندما يكون نظام في حالة توازن ترموديناميكي فلا يحدث فيه انتقال للمادة أو انتقال للطاقة ولا يحدث فيه تطور للمادة ولا تحدث فيه قوى دافعة.فالنظام الذي في حالة توازن ترموديناميكي لا يعتريه أي تغير عندما يكون معزولا عن الوسط المحيط به.
محتويات
- 1 مقدمـــة
- 2 ظروف التوازن الدينامي الحراري
- 3 توازن موضعي وتوازن شامل
- 4 وصلات خارجية
- 5 أنظر أيضا
- 6 المراجع
مقدمـــة
تهتم الترموديناميكا الكلاسيكية بتوازن الحركة. ويعتمد التوازن الترموديناميكي لنظام على دوال الحالة للنظام مثل درجة الحرارة والضغط. وبتعبير أدق نقول أن التوازن الترموديناكيكي يتصف بحالة نهاية أدنى للجهد الدينامي الحراري مثل طاقة هلمهولتز الحرة، أي عندما يكون النظام في درجة حرارة ثابتة وحجمه ثابت. وتعرف طاقة هلمهولز الحرة بالمعادلة :A = U – TS
أو تعرف طاقة جيبس الحرة لنظام بالمعادلة المشابهة التالية، وهي لنظام تثبت فيه درجة الحرارة والضغط :
G = H – TS
حيث :
T = درجة الحرارة, S = الإنتروبية, U = الطاقة الداخلية للنظام H = الإنثالبي.
ويمكننا تصور نظام غاز يحتوي على جزيئات ويكون معزولا عن المؤثرات الخارجية ز في هذا النظام تتصادم الجزيئات بسبب حركتها العشوائية وتتبادل طاقة الحركة، وتتبادل زخم الحركة. أي أن الجزيئات السريعة في النظام تفقد جزءا من سرعتها بسبب تصادمها مع جزيئات بطيئة، في نفس الوقت تكتسب الجزيئات البطيئة جزءا من سرعة الجزيئات السريعة، وبعد فترة من الزمن يصل النظام إلى حالة توازن حركي حراري وتوزع فيه السرعات بطريقة متوازنة يمكننا معرفتها إحصائيا. بعد وصول النظام إلى حالة التوازن هذه لا يحدث فيه تغير، وإنما تبقى الجزيئات موزعة على فئات من السرعات لا تتغير إحصائيا مع الزمن.
ظروف التوازن الدينامي الحراري
بأخذ تفاضل الجهد الترموديناميكي في الاعتبار نحصل على الحالات التالية:- لنظام معزول تماما يكون التغير في الإنتروبي صفرا عند التوازن : ΔS = 0.
- لنظام تثبت فيه درجة الحرارة والحجم يكون التغير في طاقة هلمهولتز الحرة تساوي صفرا عند التوازن: ΔA = 0.
- لنظام تثبت فيه درجة الحرارة والضغط يكون التغير في طاقة جيبس الحرة تساوي صفرا في حالة التوازن : ΔG = 0.
ونصل إلى تلك الحالات المختلفة من التوازن عندما نفترض نظامين في الأحوال التالية :
- يكون النظامان في حالة " توازن حراري " عندما تكون درجة حرارة كل منهما متساوية،
- يكون النظامان في حالة "توازن ميكانيكي" عندما يكون الضغط فيهما متساويا،
- يكون النظامان في حالة "توازن تفاعلي" عندما يكون كمونهما الكيميائي متساويا.
- عندما تتساوى جميع القوي في النظامين.
توازن موضعي وتوازن شامل
من المفيد التفرقة بين التوازن الموضعي وحالة التوازن الشامل على نظاق واسع. وبالنسبة إلى الحركة الحرارية يتعين التبادل داخل نظام وبين النظام والوسط المحيط عن طريق تغير دوال مثل درجة الحرارة والضغط وغيرها. وعلى سبيل المثال تغير درجة الحرارة التبادل الحراري.في حالة التوازن الترموديناميكي الموضعي تكون درجة الحرارة والضغط داخل النظام متساوية.وفي حالة التوازن الترموديناميكي الشامل قد تحتلف درجة الحرارة والضغط من منطقة إلى أخرى وتتغير مع الزمن، ولكن تلك التغيرات تكون طفيفة بحيث يمكن اعتبار تواجد توازن ترموديناميكي في منطقة محيطة لأي نقطة فيه.
وعلى سبيل المثال، تحتاج جزيئات غاز لعدد معين من التصادمات لكي تصل إلى حالة توازن في السرعات بينها وبين الوسط المحيط. فإذا كان متوسط المسافة التي تنتشر فيها قصيرة بحيث تبعدها عن منطقة لجوار التي من المفروض أن تتوازن معه، فإنها لا تصل إلى حالة التوازن، ولن توجد حالة توازن موضعي. وتعرف درجة الحرارة على أساس ا تتناسبها مع متوسط الطاقة الداخلية لنظام في حالة توازن ترموديناميكي. فإذا لم تصل المنطقة المحيطة بنقطة معية في النظام إلى حالة التوازن فيصبح تعيين درجة حرارة النظام من الحرارة الداخلية ليس سليما، وتكون النتيجة خاطئة.
ومن المهم ان نعرف أن حالة التوازن الموضعية ينطبق فقط على جسيمات معينة يتكون منها النظام. فعلى سبيل المثال نطبق التوازن الموضعي في حالة جسيمات كبيرة نسبيا، مثل الجزيئات في غاز. وفي حالة غاز يشع فوتونات فإن الفوتونات تصدر من الغاز وتمتص في نفس الوقت منه، ولا نأخذها في الاعتبار عند تعيين التوازن الترموديناميكي لنظام. كذلك في بعض الحالات فلا نحتاج لمراعاة كون الإلكترونات في حالة توازن مع الذرات أو الجزيئات المكونة لنظام موضعي صغير.
وعلى سبيل المثال نجد حالة التوازن الترموديناميكي في حالة كوب به ماء وثلج. ويمكن تعريف درجة الحرارة عند أي نقطة في الكوب ولكنها تكون أكثر برودة بالقرب من الثلج. فإذا قمنا بتعيين طاقة الجزيئات في تلك المنطقة وجدنا أنها تتبع توزيع ماكسويل-بولتزمان عند درجة حرارة معينة. فإذا قمنا بتعيين طاقة جزيئات أخرى في منطقة أخرى فإننا نجد أنها تتبع أيضا توزيع ماكسويل-بولتزمان ولكن عند درجة حرارة أخرى. ويعمل الانتشار على تحول النظام من حالة توازن موضعي إلى حالة توازن شامل. فمثلا بالنسبة إلى مثال كوب الثلح والماء فإن انتشار الحرارة سيؤدي إلى حالة توازن ترموديناميكي شامل مع الوقت ، ونصل إلى حالة تكون فيها درجة حرارة الكوب متساوية في جميع أجزائها . [1]
وصلات خارجية
- Breakdown of Local Thermodynamic Equilibrium George W. Collins, The Fundamentals of Stellar Astrophysics, Chapter 15
- Thermodynamic Equilibrium, Local and otherwise lecture by Michael Richmond
- Non-Local Thermodynamic Equilibrium in Cloudy Planetary Atmospheres Paper by R. E. Samueison quantifying the effects due to non-LTE in a atmosphere
- Local Thermodynamic Equilibrium
- Xchanger Inc, webpage Calculator for thermodynamic equilibrium of pneumatic conveying air and conveyed product.