Statično proti dinamičnemu ravnotežju
Ravnovesje je koncept, ki se uporablja v različnih disciplinah za izražanje ravnovesja med dvema nasprotujočima si silama v obravnavanem sistemu.
V tem primeru sta statično ravnovesje in dinamično ravnovesje dve stanji fizičnega sistema, kjer sta dve ali več lastnosti v ravnovesju. Ti primeri so posebej raziskani v mehaniki in tudi v fizikalni kemiji.
Kaj je statično ravnotežje?
V splošnem smislu je statično ravnovesje definirano kot stanje, v katerem tako makroskopske kot mikroskopske lastnosti sistema ostanejo nespremenjene s časom.
V mehaniki lahko obravnavamo sistem, na katerega ne deluje rezultanta sile, v ravnotežnem stanju. Zadostuje reči, da če, • Vektorska vsota vseh zunanjih sil je nič; ∑ →FEXT=0
• Vsota momentov vseh zunanjih sil okoli katere koli črte je nič, ∑ →GEXT=0
potem je sistem v ravnotežju. Poleg tega, če je tudi hitrost sistema enaka nič (tj. →V=0), potem je sistem v statičnem ravnovesju.
Na primer, razmislite o predmetu, ki leži na mizi v sobi. Zunanjim silam na predmet ali gravitacijskemu vleku (tj. teži) nasprotuje reakcija na predmet ob mizi. Tudi reakcija in teža sta na isti liniji, tako da se ne proizvajajo trenutki. Prav tako je miza na tleh v sobi in se ne premika. Zato lahko sklepamo, da je knjiga v statičnem ravnotežju.
Kaj je dinamično ravnovesje?
Dinamično ravnotežje lahko generično definiramo kot stanje sistema, kjer makroskopske lastnosti ostanejo nespremenjene, medtem ko se mikroskopske lastnosti spreminjajo.
V mehaniki ga lahko posebej definiramo kot stanje sistema, kjer je sistem v ravnovesju, vendar hitrost ni enaka nič (tj. sistem se giblje s konstantno hitrostjo). Zato
• ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Ponovno razmislite o mizi in predmetu, vendar namesto v sobi je postavljen v kabino vlaka, ki se premika s konstantno hitrostjo.
V kontekstu termodinamike, če temperatura sistema ostane nespremenjena (tj. energija sistema je nespremenjena), medtem ko poteka prenos toplote in dela. Nujen pogoj je, da mora biti vsota vloženega dela in vložene toplote enaka vsoti vloženega dela in vložene toplote.
V kemijskem sistemu se dinamično ravnovesje pojavi, ko se reakcija naprej in povratna reakcija odvijata z enako hitrostjo v reverzibilni reakciji. Koncentracija reaktantov in produktov ostane nespremenjena, še vedno pa se nekateri reaktanti pretvorijo v produkte, produkti pa v reaktante. Toda ta dva nasprotujoča si procesa potekata z enako hitrostjo.
Na primer, razmislite o sistemu NO2 in N2O4. Ko je plin NO2 stisnjen v posodi, povečanje tlaka povzroči, da je sistem nagnjen naprej in N2O 4 se proizvaja za zmanjšanje števila molekul in sčasoma za zmanjšanje tlaka. Toda na določeni točki se zdi, da se reakcija naprej ustavi in proizvodnja N2O4 se ustavi. Koncentracije (ali delni tlak) v sistemu ostanejo nespremenjene. Toda na molekularni ravni se NO2 pretvori v N2O4 in obratno.
Kakšna je razlika med statičnim in dinamičnim ravnotežjem?
• V statičnem ravnovesju ostanejo tako mikroskopske kot makroskopske lastnosti nespremenjene, medtem ko se v dinamičnem ravnovesju mikroskopske lastnosti spremenijo, medtem ko ostanejo makroskopske lastnosti nespremenjene.
• V mehaniki se lahko šteje, da je sistem brez neuravnoteženih zunanjih sil in zunanjih momentov v ravnovesju. Poleg tega, če sistem miruje, je v statičnem ravnotežju, če pa se giblje s konstantno hitrostjo, je v dinamičnem ravnovesju.
• V termodinamičnem sistemu je sistem v (dinamičnem/termodinamičnem) ravnotežju, če je temperatura konstantna in sta vnos in izhod toplote in mase enaka.
• V kemičnem sistemu, če sta hitrost reakcije naprej in povratne reakcije enaki, pravimo, da je sistem v dinamičnem ravnovesju.
