Staatiline vs dünaamiline tasakaal
Tasakaal on mõiste, mida kasutatakse erinevates teadusharudes, et väljendada tasakaalu kahe vastandliku jõu vahel vaadeldavas süsteemis.
Sel juhul on staatiline tasakaal ja dünaamiline tasakaal füüsilise süsteemi kaks olekut, kus kaks või enam omadust on tasakaalus. Neid juhtumeid uuritakse spetsiaalselt mehaanikas ja ka füüsikalises keemias.
Mis on staatiline tasakaal?
Üldiselt määratletakse staatiline tasakaal olekuna, milles nii süsteemi makroskoopilised kui ka mikroskoopilised omadused jäävad aja jooksul muutumatuks.
Mehaanikas võib süsteemi, millel puudub resultantjõud, pidada tasakaaluolekuks. Piisab öelda, et kui
• Kõikide välisjõudude vektorsumma on null; ∑ →FEXT=0
• Kõikide välisjõudude momentide summa mis tahes sirgel on null, ∑ →GEXT=0
siis on süsteem tasakaalus. Lisaks, kui süsteemi kiirus on samuti null (st → V=0), on süsteem staatilises tasakaalus.
Mõelge näiteks ruumis laual lebavale objektile. Objektile mõjuvatele välisjõududele ehk gravitatsioonilisele tõmbejõule (st kaalule) vastandub laua poolt objektile mõjuv reaktsioon. Samuti on reaktsioon ja kaal samal joonel, nii et momente ei teki. Samuti on laud toas maas ja ei liigu. Seetõttu võime järeldada, et raamat on staatilises tasakaalus.
Mis on dünaamiline tasakaal?
Dünaamilist tasakaalu saab üldiselt määratleda kui süsteemi olekut, kus makroskoopilised omadused jäävad muutumatuks, samal ajal kui mikroskoopilised omadused muutuvad.
Mehaanikas võib seda konkreetselt määratleda kui süsteemi olekut, kus süsteem on tasakaalus, kuid kiirus ei ole null (st süsteem liigub konstantse kiirusega). Seetõttu
• ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Mõelge uuesti lauale ja objektile, kuid ruumi asemel asetatakse see konstantsel kiirusel liikuva rongi salongi.
Terodünaamika kontekstis, kui süsteemi temperatuur jääb soojuse ja töö ülekandmise ajal muutumatuks (st süsteemi energia ei muutu). Vajalik tingimus on, et tööpanuse ja soojuse sisendi summa peab olema võrdne töömahu ja soojusvõimsuse summaga.
Keemilises süsteemis tekib dünaamiline tasakaal siis, kui edasi- ja tagasisuunaline reaktsioon toimuvad pöörduvas reaktsioonis sama kiirusega. Reagentide ja saaduste kontsentratsioon jääb muutumatuks, kuid siiski muudetakse osa reagente produktideks ja tooted reagentideks. Kuid need kaks vastandlikku protsessi toimuvad sama kiirusega.
Kaaluge näiteks NO2 ja N2O4 süsteemi. Kui EI2 gaas on mahutis kokku surutud, põhjustab rõhu suurenemine süsteemi ettepoole kallutamist ja N2O 4 toodetakse molekulide arvu vähendamiseks ja lõpuks rõhu vähendamiseks. Kuid teatud hetkel näib edasiliikumine peatuvat ja N2O4 tootmine näib peatuvat. Süsteemi kontsentratsioonid (või osarõhk) jäävad muutumatuks. Kuid molekulaarsel tasandil teisendatakse NO2 N2O4 ja vastupidi.
Mis vahe on staatilisel ja dünaamilisel tasakaalul?
• Staatilises tasakaalus jäävad nii mikroskoopilised kui ka makroskoopilised omadused muutumatuks, samas kui dünaamilises tasakaalus muutuvad mikroskoopilised omadused, samas kui makroskoopilised omadused jäävad muutumatuks.
• Mehaanikas võib tasakaalus olevaks lugeda süsteemi, millel puuduvad tasakaalustamata välisjõud ja välismomendid. Lisaks, kui süsteem on paigal, on see staatilises tasakaalus ja kui see liigub püsiva kiirusega, on see dünaamilises tasakaalus.
• Termodünaamilises süsteemis, kui temperatuur on konstantne ning soojuse ja massiülekande sisend ja väljund on võrdse kiirusega, on süsteem (dünaamilises/termodünaamilises) tasakaalus.
• Keemilises süsteemis, kui edasi- ja tagasireaktsiooni kiirus on sama, on süsteem dünaamilises tasakaalus.
