Rovnovážný stav soustavy

Stav soustavy je dán stavovými veličinami: teplotou, objemem, tlakem, chemickým složením, skupenstvím, různým uspořádáním částic (tak se liší např. grafit a diamant, …), … Termodynamická soustava je skupina těles, jejichž stav právě zkoumáme (plyn ve válci s pístem, voda a její pára v baňce, zahřívaný drát, …).

Při interakci soustavy s okolím dochází ke stavové změně soustavy - soustava přechází z daného počátečního stavu do výsledného (koncového) stavu, přičemž dochází ke změně stavových veličin. (Např. vnější síla působící na píst válce s plynem může měnit objem, tlak nebo i teplotu plynu; chladnutí kávy; …).

1.     izolovaná soustava - soustava, u niž nemůže docházet k výměně energie ani částic s okolím. Probíhají zde jen děje mezi částicemi (tělesy) dané soustavy. Jedná o idealizaci, k níž se mohou reálné soustavy pouze blížit (uzavřená termoska s kávou, …)

2.     uzavřená soustava - soustava, která si s okolím může vyměňovat energii, ale ne částice (uzavřený hrneček s kávou, …)

3.     otevřená soustava - soustava, u níž dochází k výměně jak energie tak částic s okolím (otevřený hrneček s kávou, …)

4.     adiabaticky izolovaná soustava - soustava, u níž nedochází k tepelné výměně mezi soustavou a okolím (sifonová bombička k výrobě sodovky, bombička s náplní do zapalovače při jeho plnění, …)

Ze zkušenosti víme, že každá soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách, přejde samovolně po určité době do rovnovážného stavu a samovolně z něho nevyjde. V tomto stavu setrvá, pokud zůstanou tyto vnější podmínky zachovány. Stavové veličiny v rovnovážném stavu jsou konstantní (soustava nemění objem, tlak, teplotu, neprobíhají chemické reakce, nedochází ke změně skupenství, nepozorujeme žádné makroskopické změny, …). Probíhají zde ale děje mikroskopické (tepelný pohyb, …).

Opět hrneček s kávou. Zalijeme-li kávu vodou z rychlovarné konvice, má voda teplotu skoro . Od této doby už káva chladne a chladne a chladne. Výsledná teplota kávy, která se v závislosti na čase už nebude měnit, je dána okolím. Bude-li káva chladnou v zimě venku na stole, ustálí se teplota na výrazně menší teplotě, než při chladnutí kávy v létě na sluníčku …

Rovnovážný děj je děj, při kterém soustava prochází řadou na sebe navazujících rovnovážných stavů. Reálné děje lze považovat za rovnovážné, probíhají-li dostatečně pomalu.

… např. chladnutí kávy!

 Většina skutečných dějů je ale nerovnovážných.

Rychlé stlačení plynu, plnění zapalovače z bombičky, prudké ochlazení kapaliny, náhlé ohnutí drátů, …

Rovnovážný stav plynu je při stálých vnějších podmínkách stavem s největší pravděpodobností výskytu. Ostatní stavy jsou pravděpodobné méně.

Teoreticky je možné, že se všechny molekuly vzduchu (kyslíku) při svém neustálém chaotickém pohybu soustředí v jedné části místnosti. Prakticky je tento stav ale (téměř) nemožný, protože pravděpodobnost jeho výskytu je velmi malá; bylo by třeba čekat velmi velmi dlouho, než se tento stav zrealizoval.