Termodynamické soustavy a termodynamické rovnováhy

Termodynamická soustava je část fyzikálního prostoru, která je od ostatních jeho částí (tj. od svého okolí) oddělena reálným nebo imaginárním rozhraním a jejíž vlastnosti lze studovat metodami termodynamiky. Řečeno zcela nejobecněji, termodynamická soustava je určitou částí vesmíru, v níž zkoumáme termodynamické děje. Za okolí termodynamické soustavy lze považovat tu část fyzikálního prostoru, která nepatří do dané termodynamické soustavy, ale zpravidla se okolím rozumí jen ta část fyzikálního prostoru, která může danou termodynamickou soustavu bezprostředně ovlivňovat (může tedy docházet k interakcím mezi danou soustavou a jejím okolím). Například okolím termodynamické soustavy Země (včetně jejího plynného obalu) není celý zbytek vesmíru, neboť vzhledem k existujícím interakcím je vhodnější za okolí termodynamické soustavy Země považovat jen zbývající prostor sluneční soustavy.

Jako izolovaná soustava se označuje termodynamická soustava, která je od okolí oddělena rozhraním, jež znemožňuje jakoukoli interakci mezi touto soustavou a okolím. Izolovaná soustava nemůže vyměňovat s okolím ani energii, ani látku. Procesy probíhající v izolované soustavě nejsou nijak ovlivňovány okolím a nemají ani žádný vliv na okolí soustavy. Uzavřená soustava je od okolí oddělena rozhraním, které dovoluje výměnu energie (ve formě tepla nebo práce). K výměně látek mezi uzavřenou soustavou a okolím nedochází. Otevřená soustava může s okolím vyměňovat nejen energii (ve formě tepla nebo práce), ale i látku. Látky (složky), které přecházejí z otevřené termodynamické soustavy do okolí a naopak, se označují jako mobilní látky (mobilní složky); látky (složky), které zůstávají v dané termodynamické soustavě a neprocházejí rozhraním do jejího okolí, se označují jako inertní látky (inertní složky).

Termodynamický stav soustavy lze charakterizovat souborem veličin, které se označují jako stavové veličiny. Stavové veličiny, které lze určit v libovolně malé části termodynamické soustavy, se nazývají intenzitní veličiny. Mezi intenzitní veličiny patří například tlak, teplota, hustota, chemické složení fází tvořících danou soustavu a koncentrace složek. Hodnoty intenzitních veličin jsou nezávislé na množství látky v soustavě - při spojení dvou zcela shodných termodynamických soustav do jednoho celku zůstávají intenzitní veličiny nezměněné. Jako extenzitní veličiny se označují stavové veličiny, jejichž hodnota je funkcí látkového množství v soustavě. K extenzitním veličinám patří např. hmotnost, objem, entalpie, volná entalpie nebo vnitřní energie. Extenzitní veličiny jsou aditivní, což znamená, že hodnota určité extenzitní veličiny v celé termodynamické soustavě je rovna součtu hodnot sledované stavové veličiny v jednotlivých částech soustavy.

Pomocí stavových veličin lze popsat stav termodynamické soustavy kdekoli na Zemi nebo ve vesmíru. Děj, při němž se mění hodnota alespoň jedné stavové veličiny, se nazývá termodynamický děj; jinak řečeno, při termodynamickém ději se mění termodynamický stav soustavy.

Jako stabilní termodynamická rovnováha se označuje termodynamický stav soustavy, při němž jsou hodnoty všech stavových veličin konstantní v nekonečně dlouhém časovém úseku. Znamená to tedy, že v takové termodynamické soustavě nedojde ke změně stavových veličin ani po sebedelším čase. Termínem metastabilní termodynamická rovnováha označujeme stav, při němž jsou stavové veličiny rovněž konstantní, avšak jen po omezenou dobu. Metastabilní termodynamická rovnováha je po určité době vystřídána stabilní termodynamickou rovnováhou. Stabilní i metastabilní termodynamická rovnováha je vždy vyvolána vnitřními příčinami. Rovnovážnému stavu termodynamické soustavy se do jisté míry podobá stacionární stav. Stacionární stav je možný jen v otevřené nebo uzavřené soustavě, neboť neměnnost stavových veličin má vnější příčiny (v izolované soustavě není stacionární stav možný, protože při stacionárním stavu musí probíhat výměna energie nebo látky mezi termodynamickou soustavou a okolím).

další »»