Staatilise ja dünaamilise tasakaalu erinevus

Staatiline vs dünaamiline tasakaal
 

Tasakaal on mõiste, mida kasutatakse erinevatel erialadel, et väljendada tasakaalu vaadeldavas süsteemis kahe vastandliku jõu vahel.

Sel juhul on staatiline tasakaal ja dünaamiline tasakaal füüsilise süsteemi kaks olekut, kus kaks või enam omadust on tasakaalus. Neid juhtumeid uuritakse spetsiaalselt mehaanikas ja ka füüsikalises keemias.

Mis on staatiline tasakaal?

Üldise tähendusena määratletakse staatiline tasakaal seisundina, kus süsteemi nii makroskoopilised kui ka mikroskoopilised omadused jäävad aja jooksul muutumatuks.

Mehaanikas võib tasakaalu olukorras pidada süsteemi, millel puudub sellele mõjuv jõud. Piisab, kui öelda, et kui,

• Kõigi väliste jõudude vektorite summa on null; ∑ → F_EXT = 0

• Kõikide väliste jõudude momentide summa mis tahes joone kohta on null, ∑ → G_EXT = 0

siis on süsteem tasakaalus. Lisaks, kui süsteemi kiirus on ka null (s.t.. → V = 0), siis on süsteem staatilises tasakaalus.

Näiteks kaaluge ruumi sees laua peal lamavat eset. Objekti väliste jõudude ehk gravitatsioonilise tõmbe (s.o kaalu) tasakaalustab objektile reageerimine laua poolt. Ka reaktsioon ja kaal on samal joonel, seega hetki ei teki. Samuti on laud toas maapinnal ja ei liigu. Seetõttu võime järeldada, et raamat on staatilises tasakaalus.

Mis on dünaamiline tasakaal?

Dünaamilist tasakaalu saab üldiselt määratleda süsteemi olekus, kus makroskoopilised omadused jäävad muutumatuks, samal ajal kui mikroskoopilised omadused muutuvad.

Mehaanikas saab seda konkreetselt määratleda süsteemi olekuna, kus süsteem on tasakaalus, kuid kiirus ei ole null (st süsteem liigub konstantse kiirusega). Seetõttu,

• ∑ → F_EXT = 0

• ∑ → G_EXT = 0

• → V ≠ 0

Mõelge jälle lauale ja esemele, kuid ruumi asemel asetatakse see konstantse kiirusega liikuva rongi salongi.

Termodünaamika kontekstis, kui süsteemi temperatuur püsib muutumatuna (st süsteemi energia on muutumatu), samal ajal kui kuumus ja tööülekanne toimuvad. Vajalik tingimus on see, et töö sisendi ja soojusisendi summa peab olema võrdne töö väljundi ja soojuse väljundi summaga.

Keemilises süsteemis toimub dünaamiline tasakaal siis, kui edasisuunaline ja tagumine reaktsioon toimuvad pöörduva reaktsiooni korral sama kiirusega. Reagentide ja produktide kontsentratsioon ei muutu, kuid osa reagente muundatakse produktideks ja produktid reagentideks. Kuid need kaks vastandlikku protsessi toimuvad samal kiirusel.

Näiteks kaaluge EI₂ ja N₂O₄ süsteem. Kui EI₂ gaas surutakse mahutis kokku, rõhu suurenemine põhjustab süsteemi nihutamist ettepoole ja N₂O₄ toodetakse molekulide arvu ja lõpuks rõhu vähendamiseks. Kuid teatud hetkel näib, et edasine reaktsioon peatub ja N₂O₄ näib, et tootmine peatub. Süsteemi kontsentratsioonid (või osarõhk) jäävad samaks. Kuid molekulaarsel tasemel on NO₂ teisendatakse N-ks₂O₄ ja vastupidi.

Mis vahe on staatilisel ja dünaamilisel tasakaalul??

• Staatilises tasakaalus jäävad nii mikroskoopilised kui ka makroskoopilised omadused muutumatuks, dünaamilises tasakaalus aga muutuvad mikroskoopilised omadused ja makroskoopilised omadused muutuvad.

• Mehaanikas võib tasakaalustamata väliste jõudude ja välismomentideta süsteemi pidada tasakaalus olevaks. Lisaks, kui süsteem on paigal, on see staatilises tasakaalus ja püsikiirusel liikudes on see dünaamilises tasakaalus.

• Kui termodünaamilises süsteemis on temperatuur püsiv ning soojuse ja massi ülekande sisend ja väljund on võrdsel kiirusel, on süsteem tasakaalus (dünaamiline / termodünaamiline)..

• Keemilises süsteemis, kui edasi-tagasi reaktsiooni kiirus on sama, öeldakse, et süsteem on dünaamilises tasakaalus.