Termal denge - Thermal equilibrium
İki fiziksel sistem , ısıya geçirgen bir yolla bağlandığında aralarında net bir termal enerji akışı yoksa, termal dengededir . Termal denge , termodinamiğin sıfırıncı yasasına uyar . Sistem içindeki sıcaklık uzamsal olarak tekdüze ve zamansal olarak sabit ise, bir sistemin kendisiyle termal dengede olduğu söylenir.
İçinde Sistemleri termodinamik denge termal dengede daima vardır, ama tersi her zaman doğru değildir. Sistemler arasındaki bağlantı, ' iç enerjideki değişim' olarak enerji aktarımına izin veriyor, ancak madde aktarımına veya iş olarak enerji aktarımına izin vermiyorsa , iki sistem termodinamik dengeye ulaşmadan termal dengeye ulaşabilir.
İki çeşit termal denge
Termal olarak bağlı iki gövde arasındaki termal denge ilişkisi
Termal denge ilişkisi, iki cisim arasındaki dengenin bir örneğidir; bu, maddenin veya işin seçici olarak geçirgen bir bölümü aracılığıyla aktarımı ifade ettiği anlamına gelir; diatermal bağlantı denir. Lieb ve Yngvason'a göre, termal denge ilişkisinin temel anlamı, onun yansımalı ve simetrik olmasıdır. Geçişli olsun ya da olmasın asli anlama dahil değildir. Tanımın anlamını tartıştıktan sonra, "termodinamiğin sıfırıncı yasası" olarak adlandırdıkları, termal dengenin geçişli bir ilişki olduğu önemli bir fiziksel aksiyomu varsayıyorlar. Bu şekilde kurulan sistemlerin denklik sınıflarına izotermler dendiğini söylerler.
Yalıtılmış bir cismin iç termal dengesi
Bir cismin kendi içinde termal dengesi, cismin izole olduğu zaman anlamına gelir. Arka plan, hiçbir ısının girmemesi veya çıkmaması ve kendi içsel özellikleri altında yerleşmek için sınırsız zamana izin verilmesidir. Tamamen yerleştiğinde, böylece makroskopik değişim artık tespit edilemez, kendi termal dengesindedir. Bunun zorunlu olarak diğer iç denge türlerinde olduğu ima edilmez. Örneğin, bir cismin iç termal dengeye ulaşması ancak iç kimyasal dengede olmaması mümkündür; cam örnektir.
Başlangıçta kendi iç termal denge durumunda olmayan yalıtılmış bir sistem düşünülebilir. Hiçbir şeyle, duvar olmadan ayrılmış iki alt sisteme bölünmenin hayali bir termodinamik işlemine tabi tutulabilir. Daha sonra, iki alt sistem arasında ısı olarak enerji transferinin olasılığı düşünülebilir. Kurgusal bölme işleminden uzun bir süre sonra, iki alt sistem pratik olarak durağan bir duruma ulaşacak ve bu nedenle birbirleriyle termal denge ilişkisi içinde olacaktır. Böyle bir macera, farklı kurgusal bölümlerle, süresiz olarak birçok şekilde yürütülebilir. Hepsi, farklı bölümlerden alt sistemleri test ederek, birbirleriyle termal dengede olduğu gösterilebilecek alt sistemlerle sonuçlanacaktır. Bu nedenle, başlangıçta kendi iç termal denge durumu olmayan, ancak uzun bir süre bırakılan yalıtılmış bir sistem, pratik olarak her zaman iç termal denge olarak kabul edilebilecek bir nihai duruma ulaşacaktır. Böyle bir son durum, sıcaklığın uzamsal tekdüzeliği veya homojenliğidir. Bu tür durumların varlığı, klasik termodinamiğin temel bir varsayımıdır. Bu postüla bazen, ancak çoğu zaman değil, termodinamiğin eksi birinci yasası olarak adlandırılır. Çok gövdeli lokalize olan ve asla iç termal dengeye ulaşamayan izole kuantum sistemleri için dikkate değer bir istisna vardır .
Termal temas
Isı, bir termal rezervuara termal iletim veya termal radyasyon yoluyla kapalı bir sistemin içine veya dışına akabilir ve bu işlem net ısı transferini etkilediğinde, sistem termal dengede değildir. Enerjinin ısı olarak aktarımı devam ederken, sistemin sıcaklığı değişebilir.
Ayrı ayrı üniform sıcaklıklarla hazırlanan, daha sonra birbirleriyle tamamen termal iletişime geçirilen gövdeler
Eğer cisimler ayrı ayrı mikroskobik olarak durağan hallerle hazırlanırlar ve daha sonra iletken veya ışınım yoluyla birbirleriyle tamamen termal bağlantıya getirilirlerse, bağlantının ardından her iki cisimde de herhangi bir değişiklik olmadığında, birbirleriyle termal dengede olacaklardır. Ancak başlangıçta bir ısıl denge ilişkisi içinde değillerse, iletken veya ışınımsal hangi yolla olursa olsun, ısı sıcaktan soğuğa doğru akacaktır ve bu akış ısıl dengeye ulaşılana kadar devam edecek ve daha sonra aynı sıcaklık.
Termal dengenin bir biçimi ışınımsal değişim dengesidir. Her biri kendi üniform sıcaklığına sahip iki cisim, yalnızca ışınımsal bağlantı içinde, birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun veya kısmen engelleyici, yansıtıcı veya kırıcı ne olursa olsun, ışınım alışverişi yolunda birbirlerine göre hareket etmeyen engeller, ısı alışverişi yapacaktır. Radyasyon, net olarak daha sıcak olan enerjiyi soğutucuya aktarır ve aynı sıcaklıkta olduklarında eşit ve zıt miktarlarda alışveriş yapar. Bu durumda Kirchhoff'un ışıma yayma ve soğurma eşitliği yasası ve Helmholtz karşılıklılık ilkesi devreye girer .
Yalıtılmış bir sistemin iç durumunun değişmesi
Başlangıçta halinde izole fiziksel sistem oluşturmalı, iç duvarlar olmaksızın adyabatik izole alt sistemleri, yeterince uzun bırakılır, genelde kendi sıcaklığı olan kendi içinde termal denge durumuna ulaşacak düzgün boyunca, ancak termodinamik denge ille bir durum , sistemdeki bazı olası süreçlerin dengeye ulaşmasını engelleyebilecek yapısal bir engel varsa; cam örnektir. Klasik termodinamik, genel olarak, iç dengeye ulaşmış idealize edilmiş sistemleri ve bunlar arasında idealize edilmiş madde ve enerji transferlerini dikkate alır .
Yalıtılmış bir fiziksel sistem homojen olmayabilir veya birbirinden duvarlarla ayrılmış birkaç alt sistemden oluşabilir . İç duvarları olmayan, başlangıçta homojen olmayan bir fiziksel sistem, termodinamik bir işlemle izole edilirse, genel olarak zaman içinde iç durumunu değiştirecektir. Veya birbirinden duvarlarla ayrılmış birkaç alt sistemden oluşuyorsa, duvarlarını değiştiren bir termodinamik işlemden sonra durumunu değiştirebilir. Bu tür değişiklikler, bileşen malzemelerin durumunu değiştirerek sıcaklığın değişmesini veya sıcaklığın uzamsal dağılımını içerebilir. Başlangıçta bir ucu sıcak, diğer ucu soğuk olacak şekilde hazırlanan bir demir çubuk, izole edildiğinde, sıcaklığı tüm uzunluğu boyunca aynı olacak şekilde değişecektir; işlem sırasında, sıcaklığı üniform olana kadar çubuk termal dengede değildir. Sıcak su banyosunda yüzen bir buz bloğu olarak hazırlanan ve daha sonra izole edilen bir sistemde buz eriyebilir; erime sırasında sistem termal dengede değildir; ama sonunda sıcaklığı tek tip hale gelecektir; buz bloğu yeniden oluşmayacaktır. Petrol buharı ve hava karışımı olarak hazırlanan bir sistem, bir kıvılcımla ateşlenerek karbondioksit ve su üretebilir; bu izole bir sistemde gerçekleşirse, sistemin sıcaklığını artıracaktır ve artış sırasında sistem termal dengede değildir; ancak sonunda sistem tek tip bir sıcaklığa yerleşecektir.
Yalıtılmış sistemlerdeki bu tür değişiklikler, sistem aynı şekilde hazırlandığında böyle bir değişiklik kendiliğinden gerçekleşecekken, izole sistem içinde ters değişim pratikte hiçbir zaman kendiliğinden gerçekleşmeyecek anlamında geri döndürülemez; bu, termodinamiğin ikinci yasasının içeriğinin büyük bir kısmıdır . Gerçekten mükemmel bir şekilde izole edilmiş sistemler doğada oluşmaz ve her zaman yapay olarak hazırlanır.
Bir yerçekimi alanında
Başlangıçta termal olarak heterojen bir malzeme dağılımını içeren, uzun bir süre boyunca sabit bir yerçekimi alanının etkisi altında bırakılan sert duvarları olan çok uzun adyabatik olarak izole edici bir kapta yer alan bir sistem düşünülebilir. toprak olarak. Tek tip basınç veya yoğunlukta olmasa da ve belki de birkaç faz içerse de, boyunca tek tip bir sıcaklık durumuna yerleşecektir. O zaman iç termal dengede ve hatta termodinamik dengededir. Bu, sistemin tüm yerel parçalarının karşılıklı ışınımsal değişim dengesinde olduğu anlamına gelir. Bu, sistemin sıcaklığının uzamsal olarak tekdüze olduğu anlamına gelir. Bu, tek biçimli olmayan dış kuvvet alanları da dahil olmak üzere her durumda böyledir. Harici olarak empoze edilen bir yerçekimi alanı için, bu, Langrangian çarpanları yöntemi kullanılarak varyasyon hesabıyla makroskopik termodinamik terimlerle kanıtlanabilir. Kinetik teori veya istatistiksel mekanikle ilgili düşünceler de bu ifadeyi desteklemektedir.
Termal ve termodinamik denge arasındaki ayrımlar
Termal ve termodinamik denge arasında önemli bir ayrım vardır . Münster'e (1970) göre, termodinamik denge durumlarında, bir sistemin durum değişkenleri ölçülebilir bir oranda değişmez. Ayrıca, "'Ölçülebilir bir oranda' koşulu, bir dengeyi yalnızca belirli süreçlere ve tanımlanmış deneysel koşullara göre düşünebileceğimizi ima eder." Ayrıca, bir termodinamik denge durumu, belirli bir madde kütlesinin diğer herhangi bir durumundan daha az makroskopik değişkenle tanımlanabilir. Tek bir izole cisim, termodinamik dengede olmayan bir durumda başlayabilir ve termodinamik dengeye ulaşılana kadar değişebilir. Isıl denge, iki cisim veya kapalı sistemler arasındaki, sadece enerji transferine izin verilen ve ısıyı geçirgen bir bölme yoluyla gerçekleşen ve transferlerin cisimlerin durumları değişmeyene kadar devam ettiği bir ilişkidir.
'Termal denge' ve 'termodinamik denge' arasında açık bir ayrım CJ Adkins tarafından yapılmıştır. İki sistemin ısı alışverişine izin verilebileceğini, ancak iş alışverişinden kısıtlanabileceğini kabul ediyor; eşit sıcaklıklara sahip olana kadar doğal olarak ısı alışverişinde bulunacaklar ve termal dengeye ulaşacaklar, ancak genel olarak termodinamik dengede olmayacaklar. İş alışverişinde bulunmalarına da izin verildiğinde termodinamik dengeye ulaşabilirler.
'Termal denge' ve 'termodinamik denge' arasındaki bir başka açık ayrım, BC Eu tarafından yapılmıştır. Biri termometre, diğeri ise birkaç tersinmez işlemin meydana geldiği bir sistem olan termal temas halindeki iki sistemi dikkate alır. İlgilenilen zaman ölçeğinde hem termometre okumasının hem de tersinmez süreçlerin sabit olduğu durumu ele alıyor. Sonra termodinamik denge olmadan termal denge vardır. Sonuç olarak Eu, termodinamiğin sıfırıncı yasasının, termodinamik denge mevcut olmadığında bile geçerli olarak kabul edilebileceğini önermektedir; ayrıca, eğer değişiklikler o kadar hızlı oluyor ki, sabit bir sıcaklık tanımlanamıyorsa, o zaman "süreci termodinamik bir formalizm yoluyla tanımlamanın artık mümkün olmadığını. Başka bir deyişle, termodinamiğin böyle bir süreç için hiçbir anlamı olmadığını" öne sürüyor.
Gezegenlerin termal dengesi
Bir gezegen, kendisine ulaşan gelen enerji (tipik olarak ana yıldızından gelen güneş ışınımı ) uzaya yayılan kızılötesi enerjiye eşit olduğunda termal dengededir .
Ayrıca bakınız
alıntılar
Atıf referansları
- Adkins, CJ (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics , üçüncü baskı, McGraw-Hill, Londra, ISBN 0-521-25445-0 .
- Bailyn, M. (1994). Termodinamik Araştırması , American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3 .
- Boltzmann, L. (1896/1964). Gaz Teorisi Üzerine Dersler, SG Brush tarafından tercüme edilmiştir, University of California Press, Berkeley.
- Chapman, S. , Cowling, TG (1939/1970). Düzgün Olmayan Gazların Matematiksel Teorisi. Gazlarda Viskozite, Termal İletim ve Difüzyonun Kinetik Teorisinin Bir Hesabı , üçüncü baskı 1970, Cambridge University Press, Londra.
- Gibbs, JW (1876/1878). Heterojen maddelerin dengesi üzerine, Trans. Bağlantı Acad. , 3 : 108-248, 343-524, The Collected Works of J. Willard Gibbs, Ph.D, LL. D. , WR Longley tarafından düzenlendi, RG Van Name, Longmans, Green & Co., New York, 1928, cilt 1, s. 55–353.
- Maxwell, JC (1867). Gazların dinamik teorisi üzerine Phil. Trans. Roy. Soc. Londra , 157 : 49-88.
- Münster, A. (1970). ES Halberstadt, Wiley–Interscience, Londra tarafından çevrilen Klasik Termodinamik .
- Partington, JR (1949). Fiziksel Kimya Üzerine Gelişmiş Bir İnceleme , cilt 1, Temel İlkeler. Gazların Özellikleri , Longmans, Green and Co., Londra.
- Planck, M. , (1897/1903). A. Ogg tarafından çevrilen Termodinamik Üzerine İnceleme , ilk İngilizce baskı, Longmans, Green and Co. , Londra.
- Planck, M. (1914). Isı Radyasyonu Teorisi, M. Masius tarafından çevrilen ikinci baskı, P. Blakiston's Son and Co., Philadelphia.
- ter Haar, D. , Wergeland, H. (1966). Termodinamiğin Elementleri , Addison-Wesley Publishing, Reading MA.
- Tisza, L. (1966). Genelleştirilmiş Termodinamik , MIT Press, Cambridge MA.