Thermisch evenwicht is een toestand van een systeem en een omgeving om in een staat van temperatuurevenwicht te verkeren. In dit artikel gaan we bespreken hoe thermisch evenwicht een systeem is.
Elk object heeft de neiging een thermische evenwichtstoestand te verwerven door zijn interne warmte af te geven aan de omgeving of door de warmte van de omgeving op te nemen. Het thermisch evenwicht is een systeem wanneer een systeem zich in een geïsoleerde toestand bevindt.
Wat is thermisch evenwicht?
Het thermisch evenwicht is een toestand van een systeem die een punt bereikt waarop de temperatuur van een systeem overeenkomt met de temperatuur van een omgeving.
Een thermisch evenwicht is een toestand waarbij de stroom van warmte-energie van een systeem naar een omgeving stopt en een systeem en omgeving een gelijke temperatuur hebben. De warmte wordt overgedragen van het hoge energieniveau naar de lage temperatuurzone.
Als twee systemen zich in een thermische evenwichtstoestand bevinden, zal de derde toestand die in contact staat met deze twee systemen ook in een thermische evenwichtstoestand zijn. Dit wordt vermeld in de nulde wet van de thermodynamica.
Waarom is thermisch evenwicht een systeem?
Een systeem is in thermisch evenwicht wanneer er geen warmte-emissie van het systeem naar de omgeving is, en niet warmte uit de omgeving.
Een thermisch evenwichtssysteem is volledig geïsoleerd van de omgeving. Dit type systeem verliest zijn massa niet, maar alleen de warmteoverdracht kan plaatsvinden. Als het systeem de thermische evenwichtspositie bereikt, stopt de warmtestroom.
Elk systeem zal de neiging hebben om zijn interne energie te verhogen als er een warmtetoevoer naar het systeem is. Bij het leveren van warmte aan de container van het water, zal de temperatuur van het water bijvoorbeeld met de tijd blijven stijgen. Als de warmtetoevoer wordt uitgeschakeld, zal eenzelfde hoeveelheid water zijn warmte afgeven aan de omgeving en dus na verloop van tijd afkoelen.
Wanneer is een systeem in thermisch evenwicht?
Een systeem is in thermisch evenwicht wanneer de interne temperatuur overeenkomt met de externe temperatuur van de omgeving.
Er is geen stroom van energie van beide kanten tussen het systeem en de omgeving. De temperatuur blijft voor beide constant. Ook is er geen overdracht van materie vanuit het systeem.
De twee systemen met verschillen in temperatuur worden met elkaar in contact gehouden, dan zal er een overdracht van warmte zijn van het warme punt naar het lage temperatuurpunt. Deze warmtestroom zal doorgaan totdat beide systemen dezelfde hoeveelheid interne warmte-energie verkrijgen. Deze toestand van een systeem wordt een thermische evenwichtstoestand van een systeem genoemd.
Is thermisch evenwicht een gesloten systeem?
Een thermisch evenwicht vindt alleen plaats in het geval van gesloten systemen of twee lichamen waarin alleen de warmte-energie kan worden overgedragen en niet de materie.
Een thermisch evenwicht heeft in feite te maken met de temperatuur van een systeem en hoe het is gesynchroniseerd met de omringende materie. Als de temperatuur van een systeem hoger is dan de omgeving, neemt de materie uit de omgeving de warmte van het systeem op en vice versa.
Om een systeem een thermische evenwichtstoestand te laten bereiken, moet er alleen een warmtestroom zijn. Als er alleen een stroom van materie is, dan blijft de warmte die per mol materie verwerft alleen bij de massa materie. En als er ook een stroom van materie en warmte is, dan zou geen enkel systeem in staat zijn geweest om een thermische evenwichtstoestand te bereiken.
Elke keer zou er een nieuwe zaak zijn gevlogen naar een systeem dat een variabele temperatuur zou kunnen hebben in vergelijking met het systeem. Een systeem heeft tijd nodig om door de warmtestroom de evenwichtstoestand te bereiken.
Kan thermisch evenwicht optreden in een open systeem?
Een systeem dat niet wordt begrensd door de muren en geïsoleerd is van de omgeving, wordt een open systeem genoemd.
De open systemen zijn niet in staat een evenwichtstoestand te bereiken. In een open systeem gaat het niet alleen om de uitwisseling van warmte, maar ook om de materie. Het volume van de materie wordt overgedragen van de omgeving naar het systeem.
Bij een open systeem kan de warmte eenvoudig van het systeem naar de omgeving worden uitgewisseld. Maar het systeem zal nooit in staat zijn om de evenwichtspositie te bereiken. De massa wordt namelijk continu uitgewisseld van het systeem naar de omgeving en samen met de massa wordt ook de warmte uit het systeem afgegeven.
De nieuwe hoeveelheid toegevoegde massa verlaagt de totale warmte-energie van het systeem of neemt toe, en het proces gaat door. Maar in sommige delen speelt het open systeem ook een belangrijke rol om het systeem in de thermische evenwichtstoestand te brengen.
Hoe ontstaat thermisch evenwicht in een open systeem?
Het thermisch evenwicht kan in sommige scenario's en op grote schaal optreden in een open systeem.
De warmte-energie stroomt altijd van het hogere temperatuurgebied naar het lage temperatuurgebied. Dit is de feitelijkheid van elk systeem in een omgeving. Als een open systeem veel energie heeft in vergelijking met de omgeving, dan zal de warmte van het systeem naar de omgeving worden overgedragen om de evenwichtstoestand te verkrijgen.
Een eenvoudig voorbeeld hier is de uitwisseling van lucht van gebieden met een hoge temperatuur naar koude gebieden. De lucht stroomt van de ene regio naar de andere door de uitwisseling van materie en warmte-energie. Daarom waait de wind en koelt de warme lucht af. Integendeel, de warmte-energie wordt ook verkregen door de koude lucht, onvermijdelijk voor het thermisch evenwicht.
Een ander voorbeeld dat we hier kunnen bespreken, is de verbranding van hout in een kampvuur, zeg maar. Het brandende hout is een open systeem omdat de warmte en de massa door geen enkele muur worden gebonden en de materie gemakkelijk kan worden overgedragen naar de omgeving.
De lucht die door het kampvuur stroomt, grijpt de warmte-energie en brengt deze over naar de omgeving, waardoor de lucht in de omgeving wordt verwarmd. Deze opgewekte warmte wordt door convectie rond het kampvuur verspreid. Het systeem probeert de thermische evenwichtstoestand te bereiken door de warmte-energie af te geven die wordt gegenereerd door de verbranding van hout in de omgeving.
Hoe het thermisch evenwicht van een systeem te vinden?
Om het thermische evenwicht van een systeem te vinden, moeten we rekening houden met de stroomsnelheid van warmte, de massa en de soortelijke warmte van een materie.
Het systeem dat de thermische evenwichtstoestand bereikt, is alleen door de stroom van de warmte-energie die ermee aanwezig is. Daarom bepaalt de stroomsnelheid van de warmte de tijd die nodig is om het systeem in zijn thermische evenwichtstoestand te brengen.
Uiteindelijk, wanneer er geen warmte-uitwisseling is en de stroom stopt, wordt gezegd dat het systeem in een evenwichtstoestand is.
Stel we hebben twee gesloten containers, de ene is heet en de andere is koud van temperatuur. Beide containers staan in nauw contact met elkaar. De warmtestroom vindt plaats van de hete container naar de koude container. De warmte-energie die verloren gaat uit de hete container zal dus gelijk zijn aan de warmte-energie die wordt gewonnen door de koude container. Dat is,
Qverloren=Qkrijgen
De warmte-energie wordt gegeven door de formule als:
Q=mcΔT
Hier is Q warmte-energie,
c is een specifieke warmtecapaciteit, en
m is een massa,
ΔT is een verandering in temperatuur als gevolg van de stroom van warmte-energie van het ene systeem naar het andere.
Als de temperatuur van een systeem wordt verlaagd dan de begintemperatuur, zal de snelheid van de warmte-energie negatief zijn, wat wijst op het warmteverlies. Terwijl, als de eindtemperatuur van het systeem hoger is dan de oorspronkelijke temperatuur, dit de warmte-energie aangeeft die door het systeem wordt gewonnen.
Wat is de thermische evenwichtstemperatuur van 20 gram Al-folie die wordt verwarmd tot een temperatuur van 70 0C en bewaard in een bekerglas met 50 gram water op kamertemperatuur?
Gegeven: De massa van een aluminiumfolie is, m= 20 gram.
De massa water in een beker is, M= 50 gram.
De temperatuur van aluminiumfolie is, T1= 700C
De temperatuur van een water is, T2= 270C
De soortelijke warmtecapaciteit van water is, cw=1 kcal/g0c
De specifieke warmtecapaciteit van aluminium is,
De warmte die door het water wordt gewonnen, zal gelijk zijn aan de warmte die verloren gaat door de aluminiumfolie.
Vandaar,
-Qaluminium=Qwater
Als we de waarden in deze uitdrukking substitueren, krijgen we:
Vandaar, de temperatuur waarbij de aluminiumfolie en het water in een thermische evenwichtstoestand zijn, is 30.40C.
Conclusie
Een thermisch evenwicht van een systeem is een toestand waarin de temperatuur van een systeem overeenkomt met de temperatuur van een systeem. Deze temperatuur wordt de thermische evenwichtstemperatuur genoemd. Bij deze temperatuur is er geen warmtestroom van het systeem naar de omgeving.
Lees ook:
- Geïsoleerde systeemvoorbeelden
- Is de aarde een gesloten systeem?
- Gesloten systeem voorbeeld
- Is dynamisch evenwicht een systeem?
- Geïsoleerd systeem versus gesloten systeem
- Catadioptrische systemen
- Voorbeelden van systeem in evenwicht
Hallo, ik ben Akshita Mapari. Ik heb M.Sc. in de natuurkunde. Ik heb gewerkt aan projecten als numerieke modellering van wind en golven tijdens cyclonen, natuurkunde van speelgoed en gemechaniseerde sensatiemachines in pretparken op basis van klassieke mechanica. Ik heb een cursus Arduino gevolgd en een aantal miniprojecten op Arduino UNO uitgevoerd. Ik vind het altijd leuk om nieuwe gebieden op het gebied van de wetenschap te verkennen. Persoonlijk ben ik van mening dat leren enthousiaster is als het met creativiteit wordt geleerd. Daarnaast hou ik van lezen, reizen, gitaar tokkelen, rotsen en lagen identificeren, fotograferen en schaken.
Hallo medelezer,
We zijn een klein team bij Techiescience, dat hard werkt tussen de grote spelers. Als je het leuk vindt wat je ziet, deel dan onze inhoud op sociale media. Uw steun maakt een groot verschil. Bedankt!