Was ist das thermodynamische Gleichgewicht?
Thermodynamisches Gleichgewicht beschreibt ein System, dessen Eigenschaften sich nicht ohne irgendeine Störung von außen ändern. Mit anderen Worten, ein System im thermodynamischen Gleichgewicht ändert sich nur, wenn etwas hinzugefügt oder davon subtrahiert wird. Ein Beispiel dafür ist ein lauwarmes Getränk. Das Getränk mag kalt angefangen haben, aber die Wärme aus der Luft wird in das kalte Getränk übergehen und es wärmer machen, bis es die gleiche Temperatur wie die Luft hat - wodurch ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht wird. Da außerdem Wärme von der Luft in das Getränk gelangt, wird auch die Luft unmittelbar um die Küvette kühler.
Der Prozess, den ein System verwendet, um ein thermodynamisches Gleichgewicht zu erreichen, wird in zwei Gesetzen der Physik beschrieben: dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik und dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Das erste Gesetz besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann, sondern nur übertragen werden kann. Das zweite Gesetz besagt, dass in einem isolierten System die Entropie zunimmt, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Dies ist die Essenz des thermodynamischen Gleichgewichts. Damit ein Objekt ein thermodynamisches Gleichgewicht erreichen kann, müssen drei Bedingungen erfüllt sein: chemisches Gleichgewicht, mechanisches Gleichgewicht und thermisches Gleichgewicht.
Das mechanische Gleichgewicht beschreibt, was passiert, wenn in einem System oder mit einem System und seiner Umgebung keine unausgeglichenen Kräfte auftreten. Dies bedeutet, dass die Kräfte in einem System und in einem System und seiner Umgebung gleich sein müssen. Eine solche Kraft ist Druck. Ist der Druck im System und mit dem System und seiner Umgebung gleich, wird ein mechanisches Gleichgewicht erreicht. Wenn es kein mechanisches Gleichgewicht gibt, bemüht sich das System, ein Gleichgewicht zu erreichen.
Damit sich ein System im chemischen Gleichgewicht befindet, sollten keine chemischen Nettoreaktionen stattfinden. In einigen Systemen kann dies bedeuten, dass chemische Reaktionen gestoppt wurden. In anderen Systemen kann dies jedoch bedeuten, dass ein System ein dynamisches Gleichgewicht erreicht hat. Das dynamische Gleichgewicht beschreibt einen Zustand, in dem Vorwärts- und Reservereaktionen so ablaufen, dass die Nettomenge der Reaktanten unverändert bleibt. Im chemischen Gleichgewicht darf sich die Materie nicht von einem Bereich in einen anderen bewegen, wie dies beispielsweise bei einer Diffusion der Fall ist.
Wenn sich ein Objekt im thermischen Gleichgewicht befindet, müssen die Temperaturen gleich sein. Das Beispiel des lauwarmen Getränks ist ein Beispiel für ein System, das ein thermisches Gleichgewicht erreicht. Wenn ein Objekt in thermischen Kontakt mit einem anderen Objekt wie Luft kommt, wandert die Wärme von einer höheren zu einer niedrigeren Konzentration, dh von heiß zu kalt. Dies bedeutet im Übrigen, dass Eis kein Getränk abkühlt, sondern das Getränk das Eis erwärmt. Die Wärme bewegt sich weiter von einer hohen zu einer niedrigen Konzentration, bis beide Objekte die gleiche Temperatur haben und das thermische Gleichgewicht erreicht ist.