Termisk jämvikt
Två fysiska system är i termisk jämvikt om det inte finns något nettoflöde av termisk energi mellan dem när de är förbundna med en väg som är genomsläpplig för värme. Termisk jämvikt lyder termodynamikens nollte lag . Ett system sägs vara i termisk jämvikt med sig självt om temperaturen i systemet är rumsligt enhetlig och tidsmässigt konstant.
System i termodynamisk jämvikt är alltid i termisk jämvikt, men det omvända är inte alltid sant. Om kopplingen mellan systemen tillåter överföring av energi som "förändring av intern energi " men inte tillåter överföring av materia eller överföring av energi som arbete , kan de två systemen nå termisk jämvikt utan att nå termodynamisk jämvikt.
Två varianter av termisk jämvikt
Relation mellan termisk jämvikt mellan två termiskt sammankopplade kroppar
Relationen termisk jämvikt är en instans av jämvikt mellan två kroppar, vilket betyder att det hänvisar till överföring genom en selektivt permeabel uppdelning av materia eller arbete; det kallas en diatermisk anslutning. Enligt Lieb och Yngvason innefattar den väsentliga innebörden av relationen termisk jämvikt att den är reflexiv och symmetrisk. Den ingår inte i den väsentliga betydelsen vare sig den är transitiv eller inte. Efter att ha diskuterat definitionens semantik, postulerar de ett väsentligt fysiskt axiom, som de kallar "termodynamikens nollte lag", att termisk jämvikt är en transitiv relation. De kommenterar att ekvivalensklasserna av system så etablerade kallas isotermer.
Intern termisk jämvikt hos en isolerad kropp
Termisk jämvikt hos en kropp i sig hänvisar till kroppen när den är isolerad. Bakgrunden är att ingen värme kommer in eller lämnar den, och att den får obegränsad tid att sätta sig under sina egna inneboende egenskaper. När den är helt stabil, så att makroskopisk förändring inte längre är detekterbar, är den i sin egen termiska jämvikt. Det antyds inte att det nödvändigtvis befinner sig i andra typer av inre jämvikt. Till exempel är det möjligt att en kropp kan nå inre termisk jämvikt men inte vara i inre kemisk jämvikt; glas är ett exempel.
Man kan föreställa sig ett isolerat system, från början inte i sitt eget tillstånd av inre termisk jämvikt. Det skulle kunna utsättas för en fiktiv termodynamisk operation av uppdelning i två delsystem åtskilda av ingenting, ingen vägg. Man skulle då kunna överväga möjligheten av överföringar av energi som värme mellan de två delsystemen. En lång tid efter den fiktiva uppdelningsoperationen kommer de två delsystemen att nå ett praktiskt taget stationärt tillstånd och sålunda stå i termisk jämviktsrelation med varandra. Ett sådant äventyr skulle kunna genomföras på oändligt många sätt, med olika fiktiva partitioner. Alla kommer att resultera i delsystem som kan visa sig vara i termisk jämvikt med varandra, testa delsystem från olika partitioner. Av denna anledning kommer ett isolerat system, till en början inte sitt eget tillstånd av inre termisk jämvikt, utan kvar under lång tid, praktiskt taget alltid att nå ett slutligt tillstånd som kan betraktas som ett av intern termisk jämvikt. Ett sådant slutligt tillstånd är ett av rumslig enhetlighet eller homogenitet i temperaturen. Förekomsten av sådana tillstånd är ett grundläggande postulat för klassisk termodynamik. Detta postulat kallas ibland, men inte ofta, termodynamikens minus första lag. Ett anmärkningsvärt undantag finns för isolerade kvantsystem som är lokaliserade till många kroppar och som aldrig når inre termisk jämvikt.
Termisk kontakt
Värme kan strömma in i eller ut ur ett slutet system genom termisk ledning eller värmestrålning till eller från en termisk reservoar, och när denna process åstadkommer nettoöverföring av värme, är systemet inte i termisk jämvikt. Medan överföringen av energi som värme fortsätter, kan systemets temperatur förändras.
Kroppar förberedda med separata enhetliga temperaturer, försätts sedan i rent termisk kommunikation med varandra
Om kroppar prepareras med separata mikroskopiskt stationära tillstånd, och sedan sätts i rent termisk förbindelse med varandra, genom ledande eller strålningsvägar, kommer de att vara i termisk jämvikt med varandra precis när anslutningen följs av ingen förändring i någon av kroppen. Men om de initialt inte står i en termisk jämviktsrelation, kommer värme att flöda från det varmare till det kallare, oavsett vilken väg, ledande eller strålande, som är tillgänglig, och detta flöde kommer att fortsätta tills termisk jämvikt uppnås och då kommer de att ha samma temperatur.
En form av termisk jämvikt är strålningsutbytesjämvikt. Två kroppar, var och en med sin egen enhetliga temperatur, i enbart strålningssammanhang, oavsett hur långt ifrån varandra, eller vilka delvis obstruktiva, reflekterande eller brytande, hinder som ligger i deras väg för strålningsutbyte, som inte rör sig i förhållande till varandra, kommer att byta termisk strålning, i netto den varmare överför energi till kylaren, och kommer att utbyta lika och motsatta mängder precis när de har samma temperatur. I denna situation Kirchhoffs jämlikhetslag för strålningsemissivitet och absorptivitet och Helmholtz reciprocitetsprincip i spel.
Förändring av internt tillstånd för ett isolerat system
Om ett initialt isolerat fysiskt system , utan inre väggar som upprättar adiabatiskt isolerade delsystem, lämnas tillräckligt länge, kommer det vanligtvis att nå ett tillstånd av termisk jämvikt i sig, där dess temperatur kommer att vara enhetlig genomgående, men inte nödvändigtvis ett tillstånd av termodynamisk jämvikt , om det finns någon strukturell barriär som kan förhindra vissa möjliga processer i systemet från att nå jämvikt; glas är ett exempel. Klassisk termodynamik betraktar generellt idealiserade system som har nått inre jämvikt, och idealiserade överföringar av materia och energi mellan dem.
Ett isolerat fysiskt system kan vara inhomogent , eller kan bestå av flera delsystem separerade från varandra av väggar. Om ett initialt inhomogent fysiskt system, utan inre väggar, isoleras genom en termodynamisk operation, kommer det i allmänhet med tiden att ändra sitt inre tillstånd. Eller om det är sammansatt av flera delsystem separerade från varandra av väggar, kan det ändra sitt tillstånd efter en termodynamisk operation som ändrar dess väggar. Sådana förändringar kan innefatta förändring av temperatur eller rumslig fördelning av temperatur, genom att ändra tillståndet hos ingående material. En stång av järn, från början förberedd för att vara varm i ena änden och kall i den andra, när den är isolerad, kommer att förändras så att dess temperatur blir enhetlig längs hela dess längd; under processen är staven inte i termisk jämvikt förrän dess temperatur är enhetlig. I ett system preparerat som ett isblock flytande i ett bad med varmt vatten, och sedan isolerat, kan isen smälta; under smältningen är systemet inte i termisk jämvikt; men så småningom kommer dess temperatur att bli enhetlig; isblocket kommer inte att ombildas. Ett system framställt som en blandning av bensinånga och luft kan antändas av en gnista och producera koldioxid och vatten; om detta händer i ett isolerat system kommer det att öka systemets temperatur, och under ökningen är systemet inte i termisk jämvikt; men så småningom kommer systemet att sätta sig till en enhetlig temperatur.
Sådana förändringar i isolerade system är irreversibla i den meningen att även om en sådan förändring kommer att inträffa spontant närhelst systemet förbereds på samma sätt, kommer den omvända förändringen praktiskt taget aldrig att inträffa spontant inom det isolerade systemet; detta är en stor del av innehållet i termodynamikens andra lag . Verkligen perfekt isolerade system förekommer inte i naturen och är alltid artificiellt förberedda.
I ett gravitationsfält
Man kan betrakta ett system som finns i ett mycket högt adiabatiskt isolerande kärl med stela väggar som initialt innehåller en termiskt heterogen fördelning av material, som lämnas under lång tid under inverkan av ett konstant gravitationsfält, längs dess höga dimension, på grund av en yttre kropp som t.ex. som jorden. Det kommer att sätta sig till ett tillstånd av enhetlig temperatur genomgående, dock inte med enhetligt tryck eller densitet, och kanske innehålla flera faser. Det är då i inre termisk jämvikt och till och med i termodynamisk jämvikt. Detta innebär att alla lokala delar av systemet är i ömsesidig strålningsutbytesjämvikt. Detta innebär att temperaturen i systemet är rumsligt enhetlig. Detta är så i alla fall, inklusive de för olikformiga yttre kraftfält. För ett externt pålagt gravitationsfält kan detta bevisas i makroskopiska termodynamiska termer, genom variationskalkylen, med metoden för Langrangian multiplikatorer. Överväganden av kinetisk teori eller statistisk mekanik stöder också detta påstående.
Skillnader mellan termiska och termodynamiska jämvikter
Det finns en viktig skillnad mellan termisk och termodynamisk jämvikt . Enligt Münster (1970), i tillstånd av termodynamisk jämvikt, förändras inte tillståndsvariablerna i ett system med en mätbar hastighet. Dessutom, "Förbehållet 'vid en mätbar hastighet' innebär att vi kan överväga en jämvikt endast med avseende på specificerade processer och definierade experimentella förhållanden." Ett tillstånd av termodynamisk jämvikt kan också beskrivas med färre makroskopiska variabler än något annat tillstånd i en given materia. En enda isolerad kropp kan börja i ett tillstånd som inte är termodynamisk jämvikt, och kan förändras tills termodynamisk jämvikt uppnås. Termisk jämvikt är ett förhållande mellan två kroppar eller slutna system, där överföringar endast tillåts av energi och sker genom en för värme genomsläpplig skiljevägg, och där överföringarna har fortgått tills kropparnas tillstånd upphör att förändras.
En explicit skillnad mellan "termisk jämvikt" och "termodynamisk jämvikt" görs av CJ Adkins. Han tillåter att två system kan tillåtas utbyta värme men hindras från att byta arbete; de kommer naturligt att byta värme tills de har samma temperaturer, och når termisk jämvikt, men kommer i allmänhet inte att vara i termodynamisk jämvikt. De kan nå termodynamisk jämvikt när de också får byta arbete.
En annan uttrycklig skillnad mellan "termisk jämvikt" och "termodynamisk jämvikt" görs av BC Eu. Han betraktar två system i termisk kontakt, det ena en termometer, det andra ett system där flera irreversibla processer förekommer. Han överväger fallet där det, över tidsskalan av intresse, händer att både termometeravläsningen och de irreversibla processerna är stabila. Sedan finns det termisk jämvikt utan termodynamisk jämvikt. Eu föreslår följaktligen att termodynamikens nollte lag kan anses gälla även när termodynamisk jämvikt inte är närvarande; också han föreslår att om förändringar sker så snabbt att en konstant temperatur inte kan definieras, så "är det inte längre möjligt att beskriva processen med hjälp av en termodynamisk formalism. Termodynamiken har med andra ord ingen betydelse för en sådan process."
Termisk jämvikt hos planeter
En planet är i termisk jämvikt när den infallande energin som når den (vanligtvis solinstrålningen från dess moderstjärna) är lika med den infraröda energin som utstrålas till rymden.
Se även
Citat
Citeringsreferenser
- Adkins, CJ (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics , tredje upplagan, McGraw-Hill, London, ISBN 0-521-25445-0 .
- Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics , American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3 .
- Boltzmann, L. (1896/1964). Föreläsningar om gasteori , översatt av SG Brush, University of California Press, Berkeley.
- Chapman, S. , Cowling, TG (1939/1970). Den matematiska teorin om olikformiga gaser. An Account of the Kinetic Theory of Viscosity, Thermal Conduction and Diffusion in Gases , tredje upplagan 1970, Cambridge University Press, London.
- Gibbs, JW (1876/1878). Om jämvikten mellan heterogena ämnen, Trans. Conn. Acad. , 3 : 108-248, 343-524, omtryckt i The Collected Works of J. Willard Gibbs, Ph.D, LL. D. , redigerad av WR Longley, RG Van Name, Longmans, Green & Co., New York, 1928, volym 1, s. 55–353.
- Maxwell, JC (1867). Om den dynamiska teorin om gaser, Phil. Trans. Roy. Soc. London , 157 : 49–88.
- Münster, A. (1970). Classical Thermodynamics , översatt av ES Halberstadt, Wiley–Interscience, London.
- Partington, JR (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry , volym 1, Grundläggande principer. The Properties of Gases , Longmans, Green and Co., London.
- Planck, M. (1897/1903). Treatise on Thermodynamics , översatt av A. Ogg, första engelska upplagan, Longmans, Green and Co., London.
- Planck, M. (1914). The Theory of Heat Radiation , andra upplagan översatt av M. Masius, P. Blakistons Son och Co., Philadelphia.
- ter Haar, D. , Wergeland, H. (1966). Elements of Thermodynamics , Addison-Wesley Publishing, Reading MA.
- Tisza, L. (1966). Generalized Thermodynamics , MIT Press, Cambridge MA.