隔离系统的热力学平衡被定义为一种平衡状态，在该平衡状态下，表征该系统并可以测量或计算的变量不会发生变化，因为由于其隔离，没有外力会改变该状态。 。
系统和要考虑的平衡类别都非常不同。一个系统可以是一个牢房，一个冰镇饮料，一个载满乘客，一个人或一台机器的飞机，仅举几个例子。它们也可以隔离，封闭或开放，这取决于它们是否可以与周围环境交换能量和物质。
鸡尾酒的成分处于热平衡状态。资料来源：Pexels。
隔离的系统不与环境交互，没有任何东西进入或离开它。封闭的系统可以交换能量，但与周围环境无关紧要。最后，开放系统可以自由与环境进行交流。
好吧，一个允许进化足够长时间的孤立系统会自发地趋于热力学平衡，在该系统中其变量将无限期保持其值。当它是一个开放系统时，其价值必须与环境的价值相同。
只要满足每种特定类型施加的所有平衡条件，就可以实现这一点。
平衡类
热平衡
一种基本的平衡是热平衡，它在许多日常情况下都存在，例如一杯热咖啡和搅拌糖的勺子。
这样的系统在一定时间后会自发趋向于获得相同的温度，此后，由于所有部件都处于相同的温度，因此达到了平衡。
碰巧的是，存在一个温差，该温差推动了整个系统的热交换。每个系统都有一个时间达到热平衡并在所有点达到相同温度，这称为弛豫时间。
机械平衡
当系统中所有点的压力恒定时，它处于机械平衡状态。
化学平衡
当系统的化学组成随时间保持不变时，就会达到化学平衡，有时也称为物质平衡。
通常，当一个系统同时处于热和机械平衡状态时，它被认为处于热力学平衡状态。
热力学变量和状态方程
研究用于分析系统热力学平衡的变量是多种多样的，最常用的是压力，体积，质量和温度。其他变量包括位置，速度和其他变量，其选择取决于所研究的系统。
因此，随着指示一个点的坐标使得有可能知道其确切位置，知道热力学变量就明确地确定了系统的状态。一旦系统达到平衡，这些变量就满足关系式，即状态方程。
状态方程是热力学变量的函数，其一般形式为：
其中P是压力，V是体积，T是温度。自然地，状态方程可以用其他变量表示，但是如前所述，这些是最常用于表征热力学系统的变量。
最理想的状态方程之一是理想气体PV = nRT的方程。这里n是摩尔数，原子数或分子数，R是玻尔兹曼常数：1.30 x 10 -23 J / K（焦耳/开尔文）。
热力学平衡和热力学的零定律
假设我们有两个带有温度计的热力学系统A和B，我们将其称为T，该温度计与系统A接触的时间足以使A和T达到相同的温度。在这种情况下，可以确保A和T处于热平衡。
在温度计的帮助下，热力学的零定律得以验证。资料来源：Pexels。
然后，对系统B和T重复相同的过程。如果结果证明B的温度与A的温度相同，则A和B处于热平衡状态。该结果被称为热力学的零定律或零原理，其形式如下：
从这一原理可以得出以下结论：
因此，不能将处于不同温度的两个处于热接触状态的物体视为热力学平衡状态。
熵和热力学平衡
促使系统达到热平衡的因素是熵，该熵表示系统与平衡的接近程度，表明其无序状态。混乱程度越大，熵越多，如果系统非常有序，则正好相反，在这种情况下，熵降低。
热平衡状态恰好是最大熵的状态，这意味着任何孤立的系统都会自发地趋向更大的无序状态。
现在，系统中热能的传递受其熵变的支配。令S为熵，并用希腊字母“ delta”表示其变化：ΔS。将系统从初始状态转换为最终状态的更改定义为：
该方程式仅对可逆过程有效。系统可以完全恢复其初始状态并且在过程中的每个点都处于热力学平衡状态的过程。
熵增加的系统示例
-在热量从较热的物体传递到较冷的物体时，熵增加，直到两者的温度相同，此后如果隔离系统，其值将保持恒定。
-增加熵的另一个例子是氯化钠在水中的溶解，直到盐完全溶解后达到平衡。
-在熔化的固体中，熵也增加了，因为分子从一种更加有序的状态（即固体）移动到了一种更加无序的液体状态。
-在某些类型的自发放射性衰变中，所产生的粒子数量增加，并且系统的熵也随之增加。在其他发生粒子an没的衰变中，存在着从质量到动能的转变，最终耗散了热量，并且熵也增加了。
这样的例子凸显了热力学平衡是相对的事实：例如，如果考虑一杯咖啡+茶匙系统，则系统可以局部处于热力学平衡。
但是，咖啡杯+汤匙+环境系统可能直到咖啡完全冷却后才处于热平衡状态。
参考文献
- Bauer，W.2011。《工程与科学物理学》。第1卷。麦格劳·希尔（Mc Graw Hill）。650-672。
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- 维基百科。热力学平衡。摘自：en.wikipedia.org。