열평형

Thermal equilibrium
열역학적 균형과 혼동하지 마십시오.
온도차를 평준화하는 열 흐름을 통한 시간 경과에 따른 폐쇄 시스템의 열평형 개발

두 물리적 시스템이 열에 투과할 수 있는 경로로 연결되었을 때 열 에너지의 순 흐름이 없으면 두 물리적 시스템은 열 평형 상태에 있습니다.열평형은 열역학 제0법칙을 따른다.시스템 내부의 온도가 공간적으로 균일하고 시간적으로 일정할 경우 시스템은 그 자체와 열평형 상태에 있다고 한다.

열역학적 평형 상태에 있는 시스템은 항상 열적 평형 상태에 있지만, 그 반대가 항상 맞는 것은 아니다.시스템 간의 연결이 '내부 에너지의 변화'로서 에너지 전달을 허용하지만 물질 전달 또는 작업으로서의 에너지 전달을 허용하지 않는 경우, 두 시스템은 열역학 평형에 도달하지 않고 열 평형에 도달할 수 있습니다.

두 가지 종류의 열평형

열적으로 연결된 두 물체 간의 열 평형 관계

열평형 관계는 두 물체 사이의 평형 사례로, 이것은 물질이나 일의 선택적으로 투과할 수 있는 칸막이를 통해 전달되는 것을 의미하며, 이를 열평형 연결이라고 합니다.Lieb과 Yngvason에 따르면 열평형 관계의 본질적 의미는 반사적이고 대칭적이라는 것이다.그것은 타동적이든 아니든 본질적인 의미에 포함되지 않는다.정의의 의미론에 대해 논의한 후, 그들은 열평형은 추이적 관계라는 "열역학의 제로 법칙"이라고 부르는 실질적인 물리적 공리를 가정합니다.그들은 이렇게 확립된 시스템의 동등성 클래스를 [1]등온도라고 부릅니다.

절연체의 내부 열평형

물체의 열평형은 그 자체가 분리되었을 때 물체를 말한다.그 배경은 열이 유입되거나 유출되지 않으며, 그 자체의 고유한 특성에 따라 무제한으로 시간이 허용된다는 것입니다.그것이 완전히 정착되면 거시적 변화가 더 이상 감지되지 않을 때, 그것은 자체의 열 평형 상태에 있게 된다.그것이 반드시 다른 종류의 내부 균형에 있다는 것을 암시하는 것은 아니다.예를 들어, 물체는 내부 열 평형에 도달할 수 있지만 내부 화학적 평형에 있지 않을 수 있습니다. 유리가 그 [2]예입니다.

처음에는 내부 열평형 상태가 아닌 고립된 시스템을 상상할 수 있습니다.벽이 없는 무(無)로 분리된 두 개의 서브시스템으로 분할되는 가상 열역학적 작업을 수행할 수 있습니다.그러면 두 서브시스템 간의 열로 에너지 전달 가능성을 고려할 수 있다.가상 파티션 조작 후 오랜 시간이 지나면 두 서브시스템은 실질적으로 정지 상태에 도달하며, 따라서 서로 열평형 관계에 있게 된다.이러한 모험은 다양한 가상 파티션과 함께 무한히 많은 방법으로 이루어질 수 있다.이 모든 결과 서로 열평형 상태에 있는 것으로 나타나 서로 다른 파티션에서 서브시스템을 테스트하게 됩니다.이러한 이유로 처음에는 내부 열평형 상태가 아니라 오랫동안 방치된 고립된 시스템은 실질적으로 내부 열평형 중 하나로 간주될 수 있는 최종 상태에 도달한다.이러한 최종 상태는 공간의 균일성 또는 [3]온도의 균질성 중 하나입니다.그러한 상태의 존재는 고전 열역학의 [4][5]기본적인 가정이다.이 가설은 종종 열역학 [6]마이너스 제1법칙이라고 불리기도 하지만 자주 그렇지는 않습니다.다체 국부적이고 내부 열 평형에 도달하지 않는 고립된 양자 시스템에 대한 주목할 만한 예외가 존재합니다.

열접점

열은 열전도 또는 열 저장소에서 열 방사선을 통해 닫힌 시스템으로 유입되거나 유출될 수 있으며, 이 프로세스가 열의 순 전달에 영향을 미칠 경우 시스템은 열 평형 상태가 아닙니다.열이 계속되면서 에너지가 전달되는 동안 시스템의 온도는 변할 수 있습니다.

개별적으로 균일한 온도로 준비된 후 순수하게 서로 열전달되는 본체

물체를 현미경으로 별도로 정지 상태로 준비한 후 전도성 경로 또는 방사 경로를 통해 서로 순수하게 열적으로 연결하면 두 물체 모두 변화가 없을 때 서로 열 평형을 이룰 수 있습니다.그러나 처음에 열평형 관계가 아니라면, 열은 전도성이든 방사성이든 어떤 경로를 통해서든 더 뜨거운 곳에서 더 차가운 곳으로 흐릅니다. 그리고 이 흐름은 열평형에 도달한 후 같은 온도를 가질 때까지 계속됩니다.

열평형의 한 가지 형태는 복사 교환 [7][8]평형이다.각각 균일한 온도를 가진 두 물체는 서로 멀리 떨어져 있거나 복사 교환 경로에 어떤 부분적인 방해, 반사 또는 굴절 장애물이 존재하든 상관없이 열 복사를 교환하여 냉각기로 전달되는 뜨거운 에너지를 순수하게 교환한다.x변화는 같은 온도에 있을 때에만 같은 양의 반대입니다.이 상황에서는 키르히호프의 복사 복사 복사율과 흡수율 균등의 법칙과 헬름홀츠 상호주의 원칙이 작용하고 있다.

격리된 시스템의 내부 상태 변화

단열적으로 격리된 하위 시스템을 확립하는 내부 벽이 없는 초기 격리된 물리적 시스템이 충분히 오래 방치되면, 일반적으로 그 자체로 온도가 균일해지는 열 평형 상태에 도달하지만, 구조 장벽이 있는 경우 반드시 열역학적 평형 상태는 아니다.t는 시스템의 일부 가능한 프로세스가 균형에 도달하는 것을 방지할 수 있습니다. 예를 들어 유리가 있습니다.일반적으로 고전적인 열역학에서는 내부 균형에 도달한 이상화된 시스템과 그 사이의 물질과 에너지의 이상화된 전달을 고려합니다.

분리된 물리적 시스템은 불균일할 수도 있고 벽으로 서로 분리된 여러 개의 하위 시스템으로 구성될 수도 있다.내부 벽이 없는 초기 불균일한 물리적 시스템이 열역학적 작동에 의해 격리되면 일반적으로 내부 상태가 변화합니다.또는 벽으로 분리된 여러 개의 서브시스템으로 구성되어 있는 경우 벽을 변경하는 열역학적 작동 후에 상태가 변경될 수 있습니다.이러한 변화에는 구성물질의 상태를 변화시킴으로써 온도 변화 또는 온도 공간 분포가 포함될 수 있다.처음에 한쪽 끝은 뜨겁고 다른 한쪽 끝은 차갑게 준비되었던 쇠막대는 분리될 때 온도가 전체 길이에서 균일해지도록 변화합니다. 이 과정에서 쇠막대는 온도가 균일해질 때까지 열 평형 상태가 되지 않습니다.뜨거운 물의 욕조에 떠 있는 얼음 덩어리로 준비된 후 분리된 시스템에서는 얼음이 녹을 수 있습니다. 녹는 동안 시스템은 열 평형 상태가 아닙니다. 그러나 결국, 온도는 균일해집니다. 얼음 덩어리는 다시 형성되지 않습니다.가솔린 증기와 공기의 혼합물로 준비된 시스템은 스파크에 의해 점화되어 이산화탄소와 물을 생성할 수 있습니다. 이러한 현상이 격리된 시스템에서 발생할 경우 시스템의 온도가 상승하고 상승 중에는 시스템이 열 평형 상태에 있지 않지만 결국 시스템은 균일한 온도로 안정됩니다.

고립된 시스템의 이러한 변화는 시스템이 같은 방식으로 준비될 때마다 자발적으로 발생하지만, 그 반대의 변화는 사실상 고립된 시스템 내에서 발생하지 않는다는 점에서 돌이킬 수 없습니다. 이는 열역학 제2법칙의 내용 중 큰 부분입니다.완전히 분리된 시스템은 자연에서 발생하지 않으며 항상 인위적으로 준비됩니다.

중력장에서

처음에는 열적으로 이질적인 물질의 분포를 포함하는 단단한 벽이 있는 매우 높은 단열적으로 격리된 용기에 포함된 시스템을 고려할 수 있으며, 지구 같은 외부 물체에 의해 높은 치수를 따라 안정된 중력장의 영향 하에 오랫동안 방치된다.균일한 압력이나 밀도는 아니지만 전체적으로 균일한 온도 상태에 안착하며 여러 단계를 포함할 수 있습니다.그것은 내부 열평형 상태에 있고 심지어 열역학적 평형 상태에 있다.이는 시스템의 모든 국소 부분이 상호 복사 교환 균형 상태에 있음을 의미한다.이는 시스템의 온도가 공간적으로 [8]균일함을 의미합니다.이는 균일하지 않은 외력장을 포함한 모든 경우에 해당된다.외부에서 가해지는 중력장의 경우, 이것은 랑그랑그 [9][10][11][12][13][14]승수법을 사용하여 거시적인 열역학적 관점에서 변동의 미적분을 통해 증명될 수 있다.운동 이론이나 통계 역학의 고려 사항도 이 [15][16][17][18][19][20][21]진술을 뒷받침한다.

열역학적 평형과 열역학적 평형의 차이점

열적 균형과 열역학적 균형 사이에는 중요한 차이가 있다.Münster(1970)에 따르면 열역학적 평형 상태에서 시스템의 상태 변수는 측정 가능한 속도로 변화하지 않는다.더욱이, "'측정 가능한 속도로'라는 조항은 우리가 특정한 과정과 정의된 실험 조건에 관해서만 평형을 고려할 수 있다는 것을 암시한다."또한 열역학적 평형 상태는 주어진 물질체의 다른 어떤 상태보다 적은 거시적 변수로 기술할 수 있다.단일 절연체는 열역학적 평형의 하나가 아닌 상태에서 시작할 수 있으며 열역학적 평형에 도달할 때까지 변화할 수 있다.열평형은 두 물체 또는 닫힌 시스템 사이의 관계이며, 에너지 전달이 허용되고 열에 투과되는 칸막이를 통해 이루어지며, 전달이 물체의 상태가 [22]더 이상 변하지 않을 때까지 진행됩니다.

C.J. Adkins는 '열적 평형'과 '열역학적 평형'을 명확히 구분한다.그는 두 시스템이 열을 교환하는 것은 허용될 수 있지만, 일을 교환하는 것은 제한될 수 있다; 그들은 자연스럽게 같은 온도를 가질 때까지 열을 교환할 것이고, 열 평형에 도달할 것이지만, 일반적으로 열역학적 평형에 있지 않을 것이다.그들은 또한 일을 [23]교환할 수 있을 때 열역학적 균형에 도달할 수 있다.

B. C. Eu는 '열적 평형'과 '열역학적 평형'의 또 다른 명확한 차이를 만들었다.그는 열 접촉에 있는 두 가지 시스템, 하나는 온도계이고 다른 하나는 여러 돌이킬 수 없는 프로세스가 발생하는 시스템을 고려했습니다.그는 온도계 수치와 돌이킬 수 없는 과정이 모두 일정하게 나타나는 경우를 고려한다.그리고 열역학적 평형이 없는 열평형이 있다.따라서 Eu는 열역학 제0법칙이 열역학 평형이 존재하지 않을 때에도 적용되는 것으로 간주될 수 있다고 제안한다.또, 그는 변화가 너무 빨리 일어나 일정한 온도를 정의할 수 없다면, "더 이상 열역학 형식주의를 통해 과정을 기술할 수 없다.즉, 열역학은 이러한 [24]과정에 아무런 의미가 없습니다."

행성의 열평형

주요 기사: 행성 평형 온도

행성은 입사 에너지(일반적으로 모항성의 태양 복사 강도)가 우주로 방출되는 적외선 에너지와 같을 때 열 평형 상태에 있다.

「 」를 참조해 주세요.

인용문

  1. '^ Lieb, E.H., Yngvason, J. (1999년) 열역학 제2법칙의 물리학과 수학, 물리학 보고서, 314..a': 1~96페이지, 55~56페이지
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인용 레퍼런스

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