שיווי משקל סטטי לעומת דינמי
שיווי משקל הוא מושג המשמש במגוון דיסציפלינות, כדי לבטא איזון בין שני כוחות מנוגדים במערכת שקולה.
במקרה זה, שיווי משקל סטטי ושיווי משקל דינמי הם שני מצבים של מערכת פיזיקלית שבה שתי תכונות או יותר מאוזנות. מקרים אלה נחקרים במיוחד במכניקה, וגם בכימיה פיזיקלית.
מהו שיווי משקל סטטי?
כמובן גנרי, שיווי משקל סטטי מוגדר כמצב שבו הן התכונות המקרוסקופיות והן המיקרוסקופיות של מערכת נשארות ללא שינוי עם הזמן.
במכניקה, מערכת ללא כוח כתוצאה הפועל עליה יכולה להיחשב במצב שיווי משקל. די לומר שאם, • הסכום הווקטור של כל הכוחות החיצוניים הוא אפס; ∑ →FEXT=0
• סכום המומנטים של כל הכוחות החיצוניים על כל קו הוא אפס, ∑ →GEXT=0
אז המערכת נמצאת בשיווי משקל. בנוסף, אם מהירות המערכת היא גם אפס (כלומר →V=0), אזי המערכת נמצאת בשיווי משקל סטטי.
לדוגמה, שקול חפץ מונח על שולחן בתוך חדר. הכוחות החיצוניים על העצם, או משיכה הכבידה (כלומר משקל), מתמודדים על ידי התגובה על האובייקט על ידי השולחן. כמו כן, התגובה והמשקל נמצאים על אותו קו, כך שלא נוצרים רגעים. כמו כן, השולחן על הקרקע בחדר, ולא זז. לכן, אנו יכולים להסיק שהספר נמצא בשיווי משקל סטטי.
מהו שיווי משקל דינמי?
ניתן להגדיר באופן כללי את שיווי המשקל הדינמי כמצב של מערכת שבה המאפיינים המקרוסקופיים נשארים ללא שינוי בעוד המאפיינים המיקרוסקופיים משתנים.
במכניקה, ניתן להגדיר זאת באופן ספציפי כמצב של מערכת שבה המערכת נמצאת בשיווי משקל, אך המהירות אינה אפס (כלומר, המערכת נעה במהירות קבועה). לכן, • ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
שקול שוב את השולחן ואת החפץ, אבל במקום חדר, הוא ממוקם בתוך תא של רכבת שנעה במהירות קבועה.
בהקשר של תרמודינמיקה, אם הטמפרטורה של מערכת נשארת ללא שינוי (כלומר, האנרגיה של המערכת ללא שינוי) בזמן שהחום והעברת העבודה מתרחשים. התנאי ההכרחי הוא שסכום תפוקת העבודה ותפוקת החום חייב להיות שווה לסכום תפוקת העבודה ותפוקת החום.
במערכת כימית, שיווי משקל דינמי מתרחש כאשר התגובה קדימה והתגובה לאחור מתרחשות באותו קצב בתגובה הפיכה. ריכוז המגיבים והתוצרים נותר ללא שינוי, אך עדיין חלק מהמגיבים מומרים למוצרים ומוצרים מומרים למגיבים. אבל שני התהליכים המנוגדים האלה מתרחשים באותו קצב.
לדוגמה, שקול את מערכת NO2 ו-N2O4. כאשר גז NO2 נדחס במיכל, העלייה בלחץ גורמת להטיית המערכת קדימה, ו-N2O 4 מיוצר כדי להפחית את מספר המולקולות ובסופו של דבר להפחית את הלחץ. אבל בשלב מסוים, נראה שהתגובה קדימה נעצרת ונראה שההפקה של N2O4 נעצרת. הריכוזים (או הלחץ החלקי) של המערכת נשארים ללא שינוי. אבל ברמה המולקולרית ה-NO2 מומר ל-N2O4 ולהיפך.
מה ההבדל בין שיווי משקל סטטי לדינמי?
• בשיווי משקל סטטי, המאפיינים המיקרוסקופיים והמקרוסקופיים נשארים ללא שינוי, בעוד שבשיווי משקל דינמי, המאפיינים המיקרוסקופיים משתנים בעוד המאפיינים המאקרוסקופיים נשארים ללא שינוי.
• במכניקה, מערכת ללא כוחות חיצוניים לא מאוזנים ומומנטים חיצוניים יכולה להיחשב בשיווי משקל. בנוסף, אם המערכת נייחת, היא נמצאת בשיווי משקל סטטי, ואם נעה במהירות קבועה, היא נמצאת בשיווי משקל דינמי.
• במערכת תרמודינמית, אם הטמפרטורה קבועה והקלט והפלט של העברת החום והמסה הם בקצבים שווים, המערכת נמצאת בשיווי משקל (דינמי/תרמודינמי).
• במערכת כימית, אם קצב התגובה קדימה והתגובה לאחור זהים, אומרים שהמערכת נמצאת בשיווי משקל דינמי.
