Orkuskipti í hitajafnvægi eru kraftmikið ferli sem á sér stöðugt stað á smásjástigi og kyrrstætt á stórsæjustigi. Í meginatriðum er engin nettóorkuflutningur innan kerfisins eða milli kerfisins og umhverfis þess, en smásæjar agnir eru stöðugt að skiptast á orku, sem leiðir til kraftmikils jafnvægis þar sem "hitadogs=varma losar."
Í hitajafnvægi, þótt stórsæjar stærðir eins og hitastig og þrýstingur haldist stöðugt, virðist "allt vera kyrrt," eru smásæju agnirnar sem mynda efnis-atóm, sameindir og rafeindir- aldrei á hreyfingu. Þeir skiptast stöðugt á orku með árekstrum, titringi og geislun. Þessi ferli eru tölfræðilega fullkomlega samhverf-orkan sem ögn aflar á hverju augnabliki er að meðaltali „skilin“ í jöfnu magni af öðrum ögnum. Þess vegna er ekkert nettóorkuflæði á stórsæja stigi.
Kjarnakerfi orkuskipta í hitajafnvægi:
Smásæ orkuskipti eru stöðug
Jafnvel þegar kerfi er í hitajafnvægi eru smásæjar agnir enn á mikilli hitahreyfingu:
Í lofttegundum hreyfast sameindir frjálsar á miklum hraða og rekast oft og skiptast stöðugt á hreyfiorku;
Í föstum efnum titra atóm nálægt grindarpunktum og flytja orku í gegnum hljóðkerfi (magn af titringi grindar);
Í málmum á sér stað samfelld dreifing milli frjálsra rafeinda og jónakjarna, sem nær til endurdreifingar orku.
Þessi ferli tryggja að orka flæðir alltaf innan kerfisins, en heildarinnstreymi jafngildir heildarútstreymi, sem lýsir sér í stórsæjum sem ekkert nettó varmaflæði.
Stórskópískt séð er engin nettó varmaflutningur.
Samkvæmt lögmálinu um varmaskipti, við hitajafnvægisaðstæður, er algildi varma sem frásogast af lága-hitahlutanum jafngildi algildis varma sem losnar af háum-hitahlutanum, þ.e. |Qfrásogast| = |Qsleppt|. Hins vegar, þar sem hitastigið er jafnt í öllu kerfinu, er ekki lengur hitamunur sem knýr stefnu varmaflæðisins; því er enginn mælanlegur varmaflutningur á stórsæjum.
Kvikt jafnvægi og meginreglan um ítarlegt jafnvægi: Hitajafnvægi er kraftmikið jafnvægi (einnig kallað hitaaflfræðilegt jafnvægi) og smásjá grundvöllur þess er meginreglan um nákvæmt jafnvægi:
Fyrir öll smásæ ferli (svo sem ögn A sem flytur orku yfir í ögn B) er hraðinn á öfugu ferli hennar (B sem skilar orku til A) nákvæmlega sá sami;
Þess vegna er ekkert stefnubundið orkuflæði í kerfinu innan stórsæjanlegs tímakvarða.
Sveiflur: Örsmá tafarlaus frávik
Þrátt fyrir að það sé stórsópískt stöðugt, vegna tilviljunarkenndrar hreyfingar agna, mun kerfið upplifa örsmáar sveiflur í kringum jafnvægisgildið, kallaðar varmafræðilegar sveiflur. Til dæmis getur pínulítið svæði tekið í sig meiri orku í augnablikinu og hitastig þess hækkar lítillega, en það mun fljótt „dragast aftur“ í jafnvægi af umhverfinu í kring. Styrkur þessarar sveiflu er í öfugu hlutfalli við kvaðratrót agnafjölda og er hverfandi í stórsæjum kerfum.
Afköst orkuskipta í mismunandi kerfum
|
Kerfisgerð |
Orkuskiptaaðferð |
Afköst hitajafnvægis |
|
Einangrað kerfi |
Endurdreifing orku meðal innri agna |
Heildar innri orka varðveitt, óreiðuhámark, einsleitt hitastig |
|
Lokað kerfi (í hitasnertingu við ytra umhverfi) |
Skiptir hita út við utan |
Hiti jafnt og úti, ekkert nettó varmaflæði |
|
Opið kerfi |
Skiptir á orku og efni |
Getur viðhaldið ó-jafnvægi jafnvægis (td lifandi lífverur), ekki í klassísku hitajafnvægi |
|
Fjölfasa samlífskerfi (td ís-vatnsblanda) |
Orkuskipti á milli fasa |
Stöðugt hitastig (0 gráður), bræðslu- og storknunarhraði jafnt |
Tilviksrannsókn: Hitajafnvægisástand málmblokkar
Ímyndaðu þér koparblokk sem er jafnt hituð í 50 gráður, sem hefur náð hitajafnvægi við umhverfi sitt:
Stórspeglun: Aflestur hitamælisins er stöðugur, enginn hiti streymir inn eða út, kerfið er í kyrrstöðu.
Smásæ: Koparatóm titra stöðugt í kristalgrindunum, frjálsar rafeindir hreyfast á miklum hraða og rekast á frumeindir og skiptast stöðugt á orku.
Á hverri sekúndu: Sum svæði fá aukna hreyfiorku vegna árekstra, en losa þessa orku næstum samtímis með öfugum árekstrum. Tölfræðilegar niðurstöður: Meðalhreyfiorka alls málmblokkarinnar helst stöðug, sem samsvarar stöðugu hitastigi, og nær kraftmiklu orkujafnvægi.
Fræðilegt mikilvægi og notkunargildi
Grundvöllur skilgreiningar hitastigs: Það er einmitt vegna þess að kerfi í hitajafnvægi hafa sama hitastig sem við getum notað hitamæli til að mæla óþekkt kerfi.
Forsenda fyrir greiningu á skilvirkni hitavéla: Tilvalin líkön eins og Carnot hringrásin treysta á að kerfið haldist í hitajafnvægi í gegnum jafnhitaferlið.
Áfangaskiptirannsóknir í efnisvísindum: Til dæmis ákvarðar orkuskiptakerfið á meðan á samlífi á föstu-vökvaferli kælingar úr málmblöndu stendur beint efniseiginleika.
