Statisches vs. dynamisches Gleichgewicht
Gleichgewicht ist ein Konzept, das in einer Vielzahl von Disziplinen verwendet wird, um ein Gleichgewicht zwischen zwei gegensätzlichen Kräften in einem betrachteten System auszudrücken.
In diesem Fall sind statisches Gleichgewicht und dynamisches Gleichgewicht zwei Zustände eines physikalischen Systems, in denen zwei oder mehr Eigenschaften im Gleichgewicht sind. Diese Fälle werden speziell in der Mechanik und auch in der physikalischen Chemie untersucht.
Was ist statisches Gleichgewicht?
Ganz allgemein wird statisches Gleichgewicht als ein Zustand definiert, in dem sowohl die makroskopischen als auch die mikroskopischen Eigenschaften eines Systems mit der Zeit unverändert bleiben.
In der Mechanik kann ein System, auf das keine resultierende Kraft wirkt, in einem Gleichgewichtszustand betrachtet werden. Es genügt zu sagen, dass wenn
• Die Vektorsumme aller äußeren Kräfte ist Null; ∑ →FEXT=0
• Die Summe der Momente aller äußeren Kräfte um eine beliebige Linie ist Null, ∑ →GEXT=0
dann ist das System im Gleichgewicht. Wenn außerdem die Geschwindigkeit des Systems ebenfalls Null ist (also →V=0), dann befindet sich das System im statischen Gleichgewicht.
Stellen Sie sich zum Beispiel ein Objekt vor, das auf einem Tisch in einem Raum liegt. Den äußeren Kräften auf das Objekt oder der Gravitationskraft (d. h. Gewicht) wird durch die Reaktion des Tisches auf das Objekt entgegengewirkt. Außerdem liegen die Reaktion und das Gewicht auf derselben Linie, sodass keine Momente erzeugt werden. Außerdem steht der Tisch in einem Raum auf dem Boden und bewegt sich nicht. Daraus können wir schließen, dass sich das Buch im statischen Gleichgewicht befindet.
Was ist dynamisches Gleichgewicht?
Das dynamische Gleichgewicht kann allgemein als ein Zustand eines Systems definiert werden, in dem die makroskopischen Eigenschaften unverändert bleiben, während sich die mikroskopischen Eigenschaften ändern.
In der Mechanik kann es spezifisch als ein Zustand eines Systems definiert werden, in dem sich das System im Gleichgewicht befindet, aber die Geschwindigkeit nicht Null ist (d. h. das System bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit). Daher
• ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Betrachte noch einmal den Tisch und das Objekt, aber statt eines Zimmers befindet es sich in einer Kabine eines Zuges, der sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.
Im Kontext der Thermodynamik, wenn die Temperatur eines Systems unverändert bleibt (d. h. die Energie des Systems unverändert bleibt), während die Wärme- und Arbeitsübertragung stattfindet. Die notwendige Bedingung ist, dass die Summe aus Arbeitseinsatz und Wärmeeinsatz gleich der Summe aus Arbeitsleistung und Wärmeleistung sein muss.
In einem chemischen System tritt ein dynamisches Gleichgewicht auf, wenn die Hin- und die Rückreaktion in einer reversiblen Reaktion mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen. Die Konzentration der Reaktanten und der Produkte bleibt unverändert, aber immer noch werden einige der Reaktanten in Produkte umgewandelt und Produkte werden in Reaktanten umgewandelt. Aber diese beiden gegensätzlichen Prozesse laufen mit der gleichen Geschwindigkeit ab.
Betrachte zum Beispiel das System NO2 und N2O4. Wenn NO2 Gas in einem Behälter komprimiert wird, bewirkt der Druckanstieg, dass das System nach vorne vorgespannt wird, und N2O 4 wird produziert, um die Anzahl der Moleküle zu reduzieren und schließlich den Druck zu verringern. Aber an einem bestimmten Punkt scheint die Vorwärtsreaktion zu stoppen und die N2O4 Produktion scheint zu stoppen. Die Konzentrationen (oder Partialdrücke) des Systems bleiben unverändert. Aber auf molekularer Ebene wird NO2 in N2O4 umgewandelt und umgekehrt.
Was ist der Unterschied zwischen statischem und dynamischem Gleichgewicht?
• Im statischen Gleichgewicht bleiben sowohl mikroskopische als auch makroskopische Eigenschaften unverändert, während sich im dynamischen Gleichgewicht die mikroskopischen Eigenschaften ändern, während die makroskopischen Eigenschaften unverändert bleiben.
• In der Mechanik kann ein System ohne unausgeglichene äußere Kräfte und äußere Momente als im Gleichgewicht betrachtet werden. Wenn das System stationär ist, befindet es sich außerdem im statischen Gleichgewicht, und wenn es sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, befindet es sich im dynamischen Gleichgewicht.
• In einem thermodynamischen System befindet sich das System im (dynamischen/thermodynamischen) Gleichgewicht, wenn die Temperatur konstant ist und die Wärme- und Stoffübertragungszufuhr und -abgabe gleich sind.
• In einem chemischen System befindet sich das System im dynamischen Gleichgewicht, wenn die Geschwindigkeit der Hin- und Rückreaktion gleich ist.
