Термодинамическое равновесие

Термодинамическое равновесие - состояние, к которому стремится любая система. Свойства системы в состоянии равновесия не изменяются во времени.

В состоянии равновесия температура, давление, концентрации веществ, электрические и магнитные поля одинаковы во всех точках системы. Нет причин для возникновения потоков тепла, диффузии, электрического тока и т.д. Достигнуто равновесие во всех химических реакциях, т.е. скорость каждой реакции в прямом направлении сравнялась со скоростью реакции обратной.

Состояние равновесия выделяется среди других возможных состояний системы. В изолированной системе состояние равновесия соответствует максимуму энтропии. Это – одно из следствий II закона термодинамики. Д. Гиббс построил систему характеристических функций, позволяющих находить состояние равновесия в различных системах. Равновесие соответствует минимуму нужной функции. Так, в закрытой системе с постоянными температурой и давлением при равновесии достигается минимум свободной энергии Гиббса.

Состояние равновесие можно точно описать с помощью термодинамических параметров (переменных). Если на систему не влияют электрические и магнитные поля, таких переменных – (n+2) штук, где n – количество составляющих систему химических веществ. Состояние равновесия нужно представить себе как поверхность в многомерном пространстве состояний. Каждому набору термодинамических параметров соответствует одна точка на подобной поверхности. Можно себе представить равновесный процесс, в котором система переходит из одного состояния равновесия в другое, движется по поверхности равновесия. Посмотрим на идеальный газ азот. Его состояние равновесия описывается тремя параметрами, например, давлением p, температурой T, количеством молей n. Объём газа V в состоянии равновесия рассчитывается исходя из давления, температуры и числа молей по уравнению Менделеева-Клапейрона,  . Зависимость объема от трех переменных и есть поверхность равновесия. Если идеальный газ выводится из состояния равновесия, уравнение Менделеева-Клапейрона перестает работать. Так случится, например, если температура газа в разных точках системы будет разной.

С точки зрения статистической термодинамики состояние равновесия является наиболее вероятным при заданных термодинамических параметрах.

Состояния системы, отличные от равновесного, называются неравновесными.

Согласно II закону термодинамики, самопроизвольные процессы в природе идут в сторону равновесия. Самопроизвольный переход системы из равновесного состояния в неравновесное невозможен. Например, изолированная система способна только увеличивать свою энтропию, двигаться в сторону её максимума и т.д. II закон, однако, ничего не говорит о скорости движения к равновесию. С точки зрения человека, эта скорость может практически равняться нулю. Так, в системе состоящей из моля углерода при комнатной температуре и нормальном давлении, равновесие отвечает полному превращению всего углерода в графит. Однако, мы видим, что существуют, алмазы, которые не спешат превращаться в грифели карандашей! Алмаз – неравновесное состояние системы, он обязан превращаться в графит, но скорость такого превращения при комнатной температуре и нормальном давлении чрезвычайно мала.

В природе есть множество систем, существующих в неравновесном состоянии. Одна из них – организм человека.