Statisk vs dynamisk ligevægt
Equilibrium er et begreb, der bruges i en række forskellige discipliner, til at udtrykke en balance mellem to modsatrettede kræfter i et velovervejet system.
I dette tilfælde er statisk ligevægt og dynamisk ligevægt to tilstande i et fysisk system, hvor to eller flere egenskaber er i balance. Disse sager er specifikt undersøgt i mekanik og også i fysisk kemi.
Hvad er statisk ligevægt?
Som en generisk betydning defineres statisk ligevægt som en tilstand, hvor både de makroskopiske og mikroskopiske egenskaber af et system forbliver uændrede med tiden.
I mekanik kan et system uden resulterende kraft, der virker på det, betragtes i en ligevægtstilstand. Det er tilstrækkeligt at sige, at hvis
• Vektorsummen af alle eksterne kræfter er nul; ∑ →FEXT=0
• Summen af momenterne af alle ydre kræfter omkring en linje er nul, ∑ →GEXT=0
så er systemet i ligevægt. Derudover, hvis systemets hastighed også er nul (dvs. →V=0), så er systemet i statisk ligevægt.
Tænk for eksempel på en genstand, der ligger på et bord inde i et rum. De ydre kræfter på objektet, eller tyngdekraften (dvs. vægt), modvirkes af reaktionen på objektet af bordet. Også reaktionen og vægten er på samme linje, så der produceres ingen momenter. Desuden er bordet på jorden i et rum og bevæger sig ikke. Derfor kan vi udlede, at bogen er i statisk ligevægt.
Hvad er dynamisk ligevægt?
Den dynamiske ligevægt kan defineres generisk som en tilstand af et system, hvor de makroskopiske egenskaber forbliver uændrede, mens de mikroskopiske egenskaber ændrer sig.
I mekanik kan det specifikt defineres som en tilstand af et system, hvor systemet er i ligevægt, men hastigheden ikke er nul (dvs. systemet bevæger sig med en konstant hastighed). Derfor
• ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Tænk igen på bordet og genstanden, men i stedet for et rum er det placeret inde i en kabine i et tog, der kører med konstant hastighed.
I termodynamik-sammenhæng, hvis temperaturen i et system forbliver uændret (dvs. systemets energi er uændret), mens varmen og arbejdsoverførslen finder sted. Den nødvendige betingelse er, at summen af arbejdsindsatsen og varmetilførslen skal være lig summen af arbejdsydelsen og varmeydelsen.
I et kemisk system opstår dynamisk ligevægt, når den fremadrettede reaktion og den tilbagegående reaktion sker med samme hastighed i en reversibel reaktion. Koncentrationen af reaktanterne og produkterne forbliver uændret, men stadig omdannes nogle af reaktanterne til produkter, og produkterne omdannes til reaktanter. Men disse to modsatrettede processer foregår i samme hastighed.
Overvej f.eks. NO2 og N2O4-systemet. Når NO2 gas komprimeres i en beholder, forårsager stigningen i trykket, at systemet bliver forspændt fremad, og N2O 4 produceres for at reducere antallet af molekyler og til sidst reducere trykket. Men på et vist tidspunkt ser den fremadrettede reaktion ud til at stoppe, og N2O4 produktionen ser ud til at stoppe. Systemets koncentrationer (eller parti altryk) forbliver uændrede. Men på det molekylære niveau konverteres NO2 til N2O4 og omvendt.
Hvad er forskellen mellem statisk og dynamisk ligevægt?
• I statisk ligevægt forbliver både mikroskopiske og makroskopiske egenskaber uændrede, mens i dynamisk ligevægt ændres de mikroskopiske egenskaber, mens de makroskopiske egenskaber forbliver uændrede.
• I mekanik kan et system uden ubalancerede ydre kræfter og ydre momenter anses for at være i ligevægt. Derudover, hvis systemet er stationært, er det i statisk ligevægt, og hvis det bevæger sig med en konstant hastighed, er det i dynamisk ligevægt.
• I et termodynamisk system er systemet i (dynamisk/termodynamisk) ligevægt, hvis temperaturen er konstant, og varme- og masseoverførselsinput og -output er lige store.
• I et kemisk system, hvis hastigheden af den fremadrettede reaktion og den tilbagegående reaktion er den samme, siges systemet at være i dynamisk ligevægt.
