Výmena energie v tepelnej rovnováhe je dynamický proces, ktorý nepretržite prebieha na mikroskopickej úrovni a statický na makroskopickej úrovni. V zásade nedochádza k žiadnemu čistému prenosu energie v rámci systému alebo medzi systémom a jeho okolím, ale mikroskopické častice si neustále vymieňajú energiu, čo vedie k dynamickej rovnováhe, pri ktorej dochádza k uvoľňovaniu tepla „absorpciou tepla =“.
V tepelnej rovnováhe, hoci makroskopické veličiny, ako je teplota a tlak, zostávajú konštantné, zdanlivo „všetko je nehybné“, mikroskopické častice, ktoré tvoria -atómy, molekuly a elektróny- hmoty, sa v skutočnosti nikdy nepohybujú. Neustále si vymieňajú energiu prostredníctvom zrážok, vibrácií a žiarenia. Tieto procesy sú štatisticky dokonale symetrické-energia získaná časticou v danom okamihu je v priemere „vrátená“ v rovnakých množstvách inými časticami. Preto na makroskopickej úrovni neexistuje čistý tok energie.
Hlavný mechanizmus výmeny energie v tepelnej rovnováhe:
Mikroskopická výmena energie je nepretržitá
Aj keď je systém v tepelnej rovnováhe, mikroskopické častice sú stále v intenzívnom tepelnom pohybe:
V plynoch sa molekuly voľne pohybujú vysokou rýchlosťou a často sa zrážajú, pričom si neustále vymieňajú kinetickú energiu;
V pevných látkach atómy vibrujú v blízkosti bodov mriežky a prenášajú energiu cez fonóny (kvantá vibrácií mriežky);
V kovoch dochádza k kontinuálnemu rozptylu medzi voľnými elektrónmi a iónovými jadrami, čím sa dosahuje redistribúcia energie.
Tieto procesy zabezpečujú, že energia vždy prúdi v systéme, ale celkový prítok sa rovná celkovému odtoku, čo sa makroskopicky prejavuje ako žiadny čistý tok tepla.
Makroskopicky nedochádza k žiadnemu čistému prenosu tepla.
Podľa zákona výmeny tepla sa v podmienkach tepelnej rovnováhy absolútna hodnota tepla absorbovaného nízko-teplotnou časťou rovná absolútnej hodnote tepla uvoľneného vysokoteplotnou-časťou, tj |Qabsorbované| = |Qprepustený|. Keďže je však teplota v celom systéme rovnaká, už neexistuje teplotný rozdiel, ktorý riadi smerový tok tepla; preto neexistuje makroskopicky merateľný prenos tepla.
Dynamická rovnováha a princíp detailnej rovnováhy: Tepelná rovnováha je dynamická rovnováha (nazývaná aj termodynamická rovnováha) a jej mikroskopickým základom je princíp detailnej rovnováhy:
Pre akýkoľvek mikroskopický proces (napríklad častica A prenášajúca energiu častici B) je rýchlosť jeho spätného procesu (B, ktorý vracia energiu A) úplne rovnaká;
Preto v rámci makroskopicky pozorovateľného časového rámca neexistuje žiadny smerový tok energie v systéme.
Výkyvy: Drobné okamžité odchýlky
Aj keď je systém makroskopicky stabilný, v dôsledku náhodnosti pohybu častíc zažije malé fluktuácie okolo rovnovážnej hodnoty, nazývané termodynamické fluktuácie. Napríklad malá oblasť môže na chvíľu absorbovať viac energie a jej teplota mierne stúpne, ale okolité prostredie ju rýchlo „stiahne“ do rovnováhy. Intenzita tohto kolísania je nepriamo úmerná druhej odmocnine počtu častíc a v makroskopických systémoch je zanedbateľná.
Výkon výmeny energie v rôznych systémoch
|
Typ systému |
Metóda výmeny energie |
Tepelná rovnováha |
|
Izolovaný systém |
Prerozdelenie energie medzi vnútorné častice |
Celková zachovaná vnútorná energia, maximum entropie, rovnomerná teplota |
|
Uzavretý systém (v tepelnom kontakte s vonkajškom) |
Vymieňa teplo s vonkajším prostredím |
Teplota rovná vonkajšej teplote, žiadny čistý tok tepla |
|
Otvorený systém |
Vymieňa energiu a hmotu |
Dokáže udržať nerovnovážny ustálený stav (napr. živé organizmy), nie v klasickej tepelnej rovnováhe |
|
Viacfázový koexistenčný systém (napr. zmes ľadu-vody) |
Výmena energie medzi fázami |
Konštantná teplota (0 stupňov), rýchlosť topenia a tuhnutia sú rovnaké |
Prípadová štúdia: Tepelne rovnovážny stav kovového bloku
Predstavte si medený blok rovnomerne zahriaty na 50 stupňov, ktorý dosiahol tepelnú rovnováhu s prostredím:
Makroskopicky: Údaj teplomeru je stabilný, dnu ani von nepreteká žiadne teplo, systém je v pokoji.
Mikroskopicky: Atómy medi nepretržite vibrujú v kryštálovej mriežke, voľné elektróny sa pohybujú vysokou rýchlosťou a zrážajú sa s atómami, pričom si neustále vymieňajú energiu.
Každú sekundu: Niektoré oblasti získavajú dodatočnú kinetickú energiu v dôsledku zrážok, ale takmer súčasne túto energiu uvoľňujú prostredníctvom spätných zrážok. Štatistické výsledky: Priemerná kinetická energia celého kovového bloku zostáva konštantná, čo zodpovedá konštantnej teplote, čím sa dosiahne dynamická energetická bilancia.
Teoretický význam a aplikačná hodnota
Základ definície teploty: Práve preto, že systémy v tepelnej rovnováhe majú rovnakú teplotu, môžeme použiť teplomer na meranie neznámych systémov.
Predpoklad pre analýzu účinnosti tepelného motora: Ideálne modely, ako je Carnotov cyklus, sa spoliehajú na to, že systém zostane počas izotermického procesu v tepelnej rovnováhe.
Výskum fázových prechodov v materiálovej vede: Napríklad mechanizmus výmeny energie počas procesu koexistencie tuhej-kvapaliny pri chladení zliatiny priamo určuje vlastnosti materiálu.
