6.1. Равновесия и фазы
Статические равновесия
Слово «равновесие» означает состояние, в котором сбалансированы все противоположно направленные на систему воздействия. Тело, находящееся в состоянии устойчивого механического равновесия, обнаруживает способность возвращаться в это состояние после какого-либо возмущающего воздействия. Примером тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, может служить мяч, лежащий на дне ямки (рис. 6.1). Если его толкнуть в одну или другую сторону, он вскоре снова возвращается в состояние устойчивого равновесия. В отличие от этого
Рис. 6.1. Статическое равновесие.
Рис. 6.2. Динамическое равновесие: рыба кажется неподвижной; на самом же деле она плывет вверх по течению с такой же скоростью, какую имеет течение.
мяч, лежащий на краю ямки, находится в состоянии неустойчивого равновесия. Даже небольшого толчка достаточно, чтобы мяч скатился в ямку, откуда он уже не может возвратиться в исходное состояние. Оба этих примера устойчивого и неустойчивого равновесия являются также примерами статического равновесия. Другими словами, система, находящаяся в состоянии статического равновесия, неподвижна, статична.
Существует множество разновидностей равновесия. Например, механическое равновесие является одной из форм статического равновесия. Оно устанавливается, когда во всех частях системы выравнивается давление.
Динамические равновесия
В химии приходится сталкиваться не столько со статическими равновесиями, сколько с динамическими равновесиями. Динамическое равновесие устанавливается, когда оказываются сбалансированными два обратимых или противоположных процесса. Примером механического динамического равновесия может служить человек, идущий по эскалатору в сторону, противоположную движению эскалатора, со скоростью, равной скорости эскалатора. В этом случае результирующее положение человека не изменяется, потому что оба противоположно направленных движения сбалансированы. Другим примером является рыба, плывущая вверх по течению реки со скоростью, равной скорости водного потока (рис. 6.2). В этом случае рыба кажется неподвижной. Она находится в динамическом равновесии с потоком.
Динамические равновесия можно подразделить на физические и химические равновесия.
С нашей точки зрения, наиболее важными типами физических равновесий являются фазовые равновесия, т.е. равновесия, устанавливающиеся между различными фазами одной системы. Динамическую природу фазовых равновесий можно понять, рассматривая их в свете кинетической теории. Рассмотрим, например, равновесие между жидкостью и ее паром (рис. 6.3). В этом случае обе фазы находятся в динамическом равновесии, если скорость испарения жидкости равна скорости конденсации пара. Другими словами, в каждый промежуток времени число частиц, покидающих жидкость, равно числу частиц, возвращающихся в нее.
Система находится в состоянии химического равновесия, если скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. Например, если скорость протекания реакции
Рис. 6.3. Равновесие между водой и ее паром.
равна скорости обратной реакции
то система находится в динамическом равновесии. Подобные реакции называются обратимыми, а их уравнения записываются с помощью двойной стрелки:
Химические равновесия подробно рассматриваются в следующей главе. Скорости химических реакций подробно обсуждаются в гл. 9.
Динамические равновесия независимо от того, физические они или химические, характеризуются целым рядом общих свойств: они включают прямой и обратный процессы; прямой и обратный процессы сбалансированы между собой; общие свойства системы, находящиеся в динамическом равновесии, постоянны; состояние равновесия может быть достигнуто как со стороны прямого процесса, так и со стороны обратного процесса;
динамическое равновесие может устанавливаться только в замкнутой системе. Замкнутой системой называется такая система, которая не обменивается со своим окружением веществом. Так, если в приведенном выше примере с аммиаком происходит утечка аммиака из реакционной системы, то реакция не может достичь состояния равновесия.
