Статическое и динамическое равновесие
Равновесие - это понятие, используемое в различных дисциплинах для выражения баланса между двумя противоборствующими силами в рассматриваемой системе.
В данном случае статическое равновесие и динамическое равновесие представляют собой два состояния физической системы, в которых два или более свойства находятся в равновесии. Эти случаи специально исследуются в механике, а также в физической химии.
Что такое статическое равновесие?
В общем смысле статическое равновесие определяется как состояние, в котором макроскопические и микроскопические свойства системы остаются неизменными во времени.
В механике систему, на которую не действует равнодействующая сила, можно рассматривать в состоянии равновесия. Достаточно сказать, что если
• Векторная сумма всех внешних сил равна нулю; ∑ →FEXT=0
• Сумма моментов всех внешних сил относительно любой прямой равна нулю, ∑ →GEXT=0
тогда система находится в равновесии. Кроме того, если скорость системы также равна нулю (т.е. →V=0), то система находится в статическом равновесии.
Например, рассмотрим объект, лежащий на столе в комнате. Внешним силам, действующим на объект, или гравитационному притяжению (т. е. Весу), противостоит реакция на объект со стороны стола. Кроме того, реакция и вес находятся на одной прямой, поэтому моментов не возникает. Кроме того, стол стоит на земле в комнате и не двигается. Следовательно, мы можем сделать вывод, что книга находится в статическом равновесии.
Что такое динамическое равновесие?
Динамическое равновесие можно в общем смысле определить как состояние системы, при котором макроскопические свойства остаются неизменными, а микроскопические свойства изменяются.
В механике его можно конкретно определить как состояние системы, при котором система находится в равновесии, но скорость не равна нулю (т.е. система движется с постоянной скоростью). Следовательно, • ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Снова рассмотрим стол и предмет, но вместо комнаты он помещен в кабину поезда, движущегося с постоянной скоростью.
В контексте термодинамики, если температура системы остается неизменной (т. е. энергия системы неизменна), в то время как происходит передача тепла и работы. Необходимое условие состоит в том, что сумма подведенной работы и подведенной теплоты должна быть равна сумме подведенной работы и подведенной теплоты.
В химической системе динамическое равновесие возникает, когда прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью в обратимой реакции. Концентрации реагентов и продуктов остаются неизменными, но все же часть реагентов превращается в продукты, а продукты превращаются в реагенты. Но эти два противоположных процесса происходят с одинаковой скоростью.
Например, рассмотрим систему NO2 и N2O4. Когда газ NO2 сжимается в контейнере, увеличение давления приводит к смещению системы вперед, и N2O 4 производится для уменьшения количества молекул и, в конечном итоге, снижения давления. Но в определенный момент поступательная реакция, кажется, останавливается, и производство N2O4 останавливается. Концентрации (или парциальное давление) системы остаются неизменными. Но на молекулярном уровне NO2 преобразуется в N2O4 и наоборот.
В чем разница между статическим и динамическим равновесием?
• В статическом равновесии и микроскопические, и макроскопические свойства остаются неизменными, тогда как в динамическом равновесии микроскопические свойства изменяются, а макроскопические свойства остаются неизменными.
• В механике систему, в которой отсутствуют неуравновешенные внешние силы и внешние моменты, можно считать находящейся в равновесии. Кроме того, если система стационарна, она находится в статическом равновесии, а если движется с постоянной скоростью, она находится в динамическом равновесии.
• В термодинамической системе, если температура постоянна, а скорость тепло- и массопереноса и выхода одинаковы, система находится в (динамическом/термодинамическом) равновесии.
• В химической системе, если скорости прямой реакции и обратной реакции одинаковы, говорят, что система находится в динамическом равновесии.
