Thermodynamisch evenwicht beschrijft de stabiele toestand van een systeem zonder netto energie- of materie-uitwisseling, bereikt door gelijk thermisch, mechanisch en chemisch evenwicht.
Zo wordt thermodynamisch evenwicht bereikt
Thermodynamisch evenwicht is een fundamenteel concept in de thermodynamica, een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met warmte en temperatuur en hun relatie tot energie en arbeid. Thermodynamisch evenwicht is de toestand waarin een systeem geen netto uitwisseling van energie of materie heeft met zijn omgeving en waarin alle waarneembare veranderingen gestopt zijn. Dit bereik je door de interacties tussen verschillende vormen van evenwicht: thermisch, mechanisch en chemisch.
Thermisch Evenwicht
Thermisch evenwicht wordt bereikt wanneer twee of meer systemen die in contact staan met elkaar, dezelfde temperatuur hebben en er geen warmteoverdracht meer plaatsvindt tussen hen. Dit volgt uit de zerodewet van de thermodynamica, die stelt dat als twee systemen elk in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem, ze ook in thermisch evenwicht zijn met elkaar.
- Bijvoorbeeld: Als systeem A en systeem B beide in thermisch evenwicht zijn met systeem C, dan zijn systemen A en B ook met elkaar in thermisch evenwicht.
Mechanisch Evenwicht
Mechanisch evenwicht is bereikt wanneer er geen netto krachtwerking in het systeem is, wat betekent dat de druk overal in het systeem gelijk is. Indien er drukverschillen aanwezig zijn, zal materie van hoge druk naar lage druk bewegen totdat de druk overal gelijk is.
- Bijvoorbeeld: Als je een gas in een afgesloten container hebt, zal het gas zich zo verdelen dat de druk overal in de container gelijk is.
Chemisch Evenwicht
Chemisch evenwicht treedt op wanneer de chemische samenstelling van een systeem niet meer verandert in de loop van de tijd. Dit betekent dat de snelheden van de voorwaartse en achterwaartse chemische reacties gelijk zijn, wat resulteert in een constante concentratie van de reactanten en producten.
- Bijvoorbeeld: Voor de omkeerbare reactie N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 in een afgesloten ruimte, is chemisch evenwicht bereikt als de snelheid van vorming van NH3 gelijk is aan de snelheid van ontleding naar N2 en H2.
Bereik van Thermodynamisch Evenwicht
Om uiteindelijk thermodynamisch evenwicht te bereiken, moeten alle drie de bovengenoemde vormen van evenwicht gelijktijdig aanwezig zijn. Dit betekent dat een systeem in thermodynamisch evenwicht zowel thermisch, mechanisch als chemisch in balans is.
Wanneer een systeem in thermodynamisch evenwicht is, kunnen we de toestand ervan beschrijven door een beperkt aantal macroscopische variabelen zoals temperatuur, druk en volume. Dit maakt het mogelijk om voorspellingen te doen over het gedrag van het systeem zonder de details van de microscopische interacties te kennen.
Conclusie
Thermodynamisch evenwicht is een cruciaal concept in de thermodynamica dat conditioneert dat een systeem stabiel is en zijn eigendommen in de tijd niet verandert. Begrip van hoe thermisch, mechanisch en chemisch evenwicht worden bereikt helpt ons om verschillende natuurlijke en door de mens gemaakte systemen te analyseren en voorspellen.