Energianvaihto lämpötasapainossa on dynaaminen prosessi, joka tapahtuu jatkuvasti mikroskooppisella tasolla ja staattinen makroskooppisella tasolla. Pohjimmiltaan järjestelmän sisällä tai järjestelmän ja sen ympäristön välillä ei tapahdu nettoenergian siirtoa, mutta mikroskooppiset hiukkaset vaihtavat jatkuvasti energiaa, mikä johtaa dynaamiseen tasapainoon, jossa "lämmön absorptio=vapauttaa lämpöä".
Termisessä tasapainossa, vaikka makroskooppiset suureet, kuten lämpötila ja paine, pysyvät vakioina, mutta näennäisesti "kaikki on paikallaan", mikroskooppiset hiukkaset, jotka muodostavat aine-atomeja, molekyylejä ja elektroneja-, eivät koskaan ole todellisuudessa liikkeessä. Ne vaihtavat jatkuvasti energiaa törmäysten, värähtelyjen ja säteilyn kautta. Nämä prosessit ovat tilastollisesti täysin symmetrisiä-hiukkasen kullakin hetkellä saaman energian muut hiukkaset "palauttavat" keskimäärin yhtä paljon. Siksi makroskooppisella tasolla ei ole nettoenergiavirtaa.
Energianvaihdon ydinmekanismi lämpötasapainossa:
Mikroskooppinen energianvaihto on jatkuvaa
Vaikka järjestelmä on lämpötasapainossa, mikroskooppiset hiukkaset ovat edelleen voimakkaassa lämpöliikkeessä:
Kaasuissa molekyylit liikkuvat vapaasti suurilla nopeuksilla ja törmäävät usein vaihtaen jatkuvasti kineettistä energiaa;
Kiinteissä aineissa atomit värähtelevät lähellä hilapisteitä siirtäen energiaa fononien (hilavärähtelyjen kvantit) kautta;
Metalleissa tapahtuu jatkuvaa sirontaa vapaiden elektronien ja ionisten ytimien välillä, jolloin saadaan aikaan energian uudelleenjakautuminen.
Nämä prosessit varmistavat, että energia virtaa aina järjestelmän sisällä, mutta kokonaisvirtaus on yhtä suuri kuin kokonaisulosvirtaus, mikä ilmenee makroskooppisesti ilman nettolämpövirtaa.
Makroskooppisesti nettolämmönsiirtoa ei ole.
Lämmönvaihdon lain mukaan lämpötasapainoolosuhteissa matalan-lämpötilan osan absorboima lämmön itseisarvo on yhtä suuri kuin korkean-lämpötilan osan vapauttaman lämmön itseisarvo, eli |Qimeytyy| = |Qvapautettu|. Koska lämpötila on kuitenkin sama koko järjestelmässä, lämpötilaeroa ei enää ole, joka ohjaa lämmön suunnattua virtausta; siksi ei ole makroskooppisesti mitattavissa olevaa lämmönsiirtoa.
Dynaaminen tasapaino ja yksityiskohtaisen tasapainon periaate: Terminen tasapaino on dynaaminen tasapaino (kutsutaan myös termodynaamiseksi tasapainoksi), ja sen mikroskooppinen perusta on yksityiskohtaisen tasapainon periaate:
Minkä tahansa mikroskooppisen prosessin tapauksessa (kuten hiukkanen A siirtää energiaa hiukkaselle B) sen käänteisen prosessin nopeus (B palauttaa energiaa A:lle) on täsmälleen sama;
Siksi makroskooppisesti havaittavissa olevan aikaskaalan sisällä järjestelmässä ei ole suunnattua energiavirtaa.
Vaihtelut: Pienet hetkelliset poikkeamat
Vaikka järjestelmä on makroskooppisesti vakaa, hiukkasten liikkeen satunnaisuudesta johtuen, järjestelmä kokee pieniä vaihteluita tasapainoarvon ympärillä, joita kutsutaan termodynaamiksi vaihteluiksi. Esimerkiksi pieni alue voi hetkellisesti imeä enemmän energiaa ja sen lämpötila nousee hieman, mutta ympäröivä ympäristö "vetää" sen nopeasti takaisin tasapainoon. Tämän vaihtelun intensiteetti on kääntäen verrannollinen hiukkasluvun neliöjuureen ja on merkityksetön makroskooppisissa järjestelmissä.
Energianvaihdon suorituskyky eri järjestelmissä
|
Järjestelmän tyyppi |
Energianvaihtomenetelmä |
Lämpötasapainon suorituskyky |
|
Eristetty järjestelmä |
Energian uudelleenjako sisäisten hiukkasten kesken |
Säästynyt sisäinen kokonaisenergia, entropian maksimi, tasainen lämpötila |
|
Suljettu järjestelmä (lämpökontaktissa ulkopuolisen kanssa) |
Vaihtaa lämmön ulkopuolen kanssa |
Lämpötila sama kuin ulkona, ei nettolämpövirtaa |
|
Avoin järjestelmä |
Vaihtaa energiaa ja ainetta |
Pystyy ylläpitämään ei--tasapainoa (esim. elävät organismit), ei klassisessa lämpötasapainossa |
|
Monivaiheinen rinnakkaiselojärjestelmä (esim. jää-vesiseos) |
Energianvaihto vaiheiden välillä |
Vakiolämpötila (0 astetta), sulamis- ja jähmettymisnopeudet ovat yhtä suuret |
Tapaustutkimus: Metallilohkon lämpötasapainotila
Kuvittele kuparilohko, joka on kuumennettu tasaisesti 50 asteeseen ja joka on saavuttanut lämpötasapainon ympäristönsä kanssa:
Makroskooppisesti: lämpömittarin lukema on vakaa, lämpöä ei virtaa sisään tai ulos, järjestelmä on levossa.
Mikroskooppisesti: Kupariatomit värähtelevät jatkuvasti kidehilassa, vapaat elektronit liikkuvat suurella nopeudella ja törmäävät atomien kanssa vaihtaen jatkuvasti energiaa.
Joka sekunti: Jotkut alueet saavat lisää kineettistä energiaa törmäysten vuoksi, mutta melkein samanaikaisesti vapauttavat tämän energian käänteistörmäyksissä. Tilastolliset tulokset: Koko metallikappaleen keskimääräinen kineettinen energia pysyy vakiona, mikä vastaa vakiolämpötilaa, jolloin saavutetaan dynaaminen energiatasapaino.
Teoreettinen merkitys ja sovellusarvo
Lämpötilan määritelmän perusta: Juuri siksi, että lämpötasapainossa olevilla järjestelmillä on sama lämpötila, voimme käyttää lämpömittaria tuntemattomien järjestelmien mittaamiseen.
Lämpömoottorin tehokkuusanalyysin edellytys: Ihanteelliset mallit, kuten Carnot-sykli, luottavat siihen, että järjestelmä pysyy lämpötasapainossa koko isotermisen prosessin ajan.
Vaiheen siirtymätutkimus materiaalitieteessä: Esimerkiksi energianvaihtomekanismi lejeeringin jäähdytyksen kiinteän{0}}nesteen rinnakkaiseloprosessin aikana määrittää suoraan materiaalin ominaisuudet.
