Statická vs dynamická rovnováha
Equilibrium je koncept používaný v rôznych disciplínach na vyjadrenie rovnováhy medzi dvoma protichodnými silami v uvažovanom systéme.
V tomto prípade sú statická rovnováha a dynamická rovnováha dva stavy fyzikálneho systému, kde sú dve alebo viac vlastností v rovnováhe. Tieto prípady sa špecificky skúmajú v mechanike a tiež vo fyzikálnej chémii.
Čo je statická rovnováha?
Vo všeobecnosti je statická rovnováha definovaná ako stav, v ktorom makroskopické aj mikroskopické vlastnosti systému zostávajú časom nezmenené.
V mechanike možno systém, na ktorý nepôsobí žiadna výsledná sila, považovať v rovnovážnom stave. Stačí povedať, že ak, • Vektorový súčet všetkých vonkajších síl je nula; ∑ →FEXT=0
• Súčet momentov všetkých vonkajších síl okolo akejkoľvek priamky je nula, ∑ →GEXT=0
potom je systém v rovnováhe. Navyše, ak je rýchlosť systému tiež nulová (t.j. →V=0), potom je systém v statickej rovnováhe.
Predstavte si napríklad predmet ležiaci na stole v miestnosti. Vonkajšie sily pôsobiace na objekt alebo gravitačná sila (t. j. hmotnosť) sú vystavené reakcii stola na objekt. Tiež reakcia a hmotnosť sú na rovnakej línii, takže nevznikajú žiadne momenty. Stôl je tiež na zemi v miestnosti a nehýbe sa. Preto môžeme dedukovať, že kniha je v statickej rovnováhe.
Čo je dynamická rovnováha?
Dynamickú rovnováhu možno genericky definovať ako stav systému, kde makroskopické vlastnosti zostávajú nezmenené, zatiaľ čo mikroskopické vlastnosti sa menia.
V mechanike ho možno špecificky definovať ako stav systému, v ktorom je systém v rovnováhe, ale rýchlosť nie je nulová (t. j. systém sa pohybuje konštantnou rýchlosťou). Preto
• ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Znova zvážte stôl a predmet, ale namiesto miestnosti je umiestnený v kabíne vlaku, ktorý sa pohybuje konštantnou rýchlosťou.
V kontexte termodynamiky, ak teplota systému zostáva nezmenená (t. j. energia systému je nezmenená), kým dochádza k prenosu tepla a práce. Nevyhnutnou podmienkou je, že súčet príkonu práce a príkonu tepla sa musí rovnať súčtu výkonu práce a tepelného výkonu.
V chemickom systéme nastáva dynamická rovnováha, keď dopredná a spätná reakcia prebiehajú rovnakou rýchlosťou pri reverzibilnej reakcii. Koncentrácia reaktantov a produktov zostáva nezmenená, ale stále sa niektoré z reaktantov premenia na produkty a produkty sa premenia na reaktanty. Ale tieto dva protichodné procesy prebiehajú rovnakou rýchlosťou.
Zvážte napríklad systém NO2 a N2O4. Keď je plyn NO2 stlačený v nádobe, zvýšenie tlaku spôsobí, že systém sa posunie dopredu a N2O 4 sa vyrába na zníženie počtu molekúl a prípadne na zníženie tlaku. Zdá sa však, že v určitom bode sa dopredná reakcia zastaví a produkcia N2O4 sa zastaví. Koncentrácie (alebo parciálny tlak) systému zostávajú nezmenené. Ale na molekulárnej úrovni sa NO2 premení na N2O4 a naopak.
Aký je rozdiel medzi statickou a dynamickou rovnováhou?
• V statickej rovnováhe zostávajú mikroskopické aj makroskopické vlastnosti nezmenené, zatiaľ čo v dynamickej rovnováhe sa mikroskopické vlastnosti menia, zatiaľ čo makroskopické vlastnosti zostávajú nezmenené.
• V mechanike možno systém bez nevyvážených vonkajších síl a vonkajších momentov považovať za v rovnováhe. Okrem toho, ak je systém stacionárny, je v statickej rovnováhe a ak sa pohybuje konštantnou rýchlosťou, je v dynamickej rovnováhe.
• Ak je v termodynamickom systéme teplota konštantná a vstup a výstup prenosu tepla a hmoty sú rovnaké, systém je v (dynamickej/ termodynamickej) rovnováhe.
• Ak je v chemickom systéme rýchlosť priamej a spätnej reakcie rovnaká, systém sa považuje za v dynamickej rovnováhe.
