Staattinen vs. dynaaminen tasapaino
Tasapaino on käsite, jota käytetään useilla tieteenaloilla, ilmaisemaan tasapainoa kahden vastakkaisen voiman välillä harkittuun järjestelmään.
Tässä tapauksessa staattinen tasapaino ja dynaaminen tasapaino ovat fysikaalisen järjestelmän kaksi tilaa, joissa kaksi tai useampia ominaisuuksia ovat tasapainossa. Näitä tapauksia tutkitaan erityisesti mekaniikassa ja myös fysikaalisessa kemiassa.
Mikä on staattinen tasapaino?
Yleisesti ottaen staattinen tasapaino määritellään tilaksi, jossa järjestelmän sekä makroskooppiset että mikroskooppiset ominaisuudet pysyvät muuttumattomina ajan myötä.
Mekaniikassa järjestelmää, johon ei vaikuta resultanttivoimaa, voidaan pitää tasapainotilassa. Riittää sanoa, että jos
• Kaikkien ulkoisten voimien vektorisumma on nolla; ∑ →FEXT=0
• Kaikkien ulkoisten voimien momenttien summa minkä tahansa suoran ympärillä on nolla, ∑ →GEXT=0
niin järjestelmä on tasapainossa. Lisäksi, jos järjestelmän nopeus on myös nolla (eli →V=0), järjestelmä on staattisessa tasapainossa.
Ajattele esimerkiksi pöydällä makaavaa esinettä huoneessa. Esiin kohdistuvia ulkoisia voimia tai vetovoimaa (eli painoa) torjuu pöydän reaktio esineeseen. Myös reaktio ja paino ovat samalla linjalla, joten momentteja ei synny. Lisäksi pöytä on maassa huoneessa, eikä liiku. Tästä syystä voimme päätellä, että kirja on staattisessa tasapainossa.
Mikä on dynaaminen tasapaino?
Dynaaminen tasapaino voidaan yleisesti määritellä järjestelmän tilaksi, jossa makroskooppiset ominaisuudet pysyvät muuttumattomina, kun mikroskooppiset ominaisuudet muuttuvat.
Mekaniikassa se voidaan määritellä erityisesti järjestelmän tilaksi, jossa järjestelmä on tasapainossa, mutta nopeus ei ole nolla (eli järjestelmä liikkuu vakionopeudella). Siksi
• ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Ajattele jälleen pöytää ja esinettä, mutta huoneen sijaan se sijoitetaan vakionopeudella liikkuvan junan hyttiin.
Termodynamiikan kontekstissa, jos järjestelmän lämpötila pysyy muuttumattomana (eli järjestelmän energia pysyy muuttumattomana) lämmön ja työnsiirron tapahtuessa. Edellytyksenä on, että työpanoksen ja lämpöpanoksen summa on yhtä suuri kuin työtehon ja lämmöntuoton summa.
Kemiallisessa järjestelmässä dynaaminen tasapaino syntyy, kun eteenpäin suuntautuva reaktio ja taaksepäin suuntautuva reaktio tapahtuvat samalla nopeudella palautuvassa reaktiossa. Reagenssien ja tuotteiden pitoisuus säilyy ennallaan, mutta silti osa lähtöaineista muuttuu tuotteiksi ja tuotteet muuttuvat lähtöaineiksi. Mutta nämä kaksi vastakkaista prosessia tapahtuvat samalla nopeudella.
Otetaan huomioon esimerkiksi NO2 ja N2O4. Kun EI2 kaasua puristetaan säiliössä, paineen lisäys saa järjestelmän jännittymään eteenpäin, ja N2O 4 tuotetaan vähentämään molekyylien määrää ja lopulta alentamaan painetta. Mutta jossain vaiheessa eteenpäin reaktio näyttää pysähtyvän ja N2O4 tuotanto näyttää pysähtyvän. Järjestelmän pitoisuudet (tai osapaine) pysyvät ennallaan. Mutta molekyylitasolla NO2 muunnetaan N2O4 ja päinvastoin.
Mitä eroa on staattisen ja dynaamisen tasapainon välillä?
• Staattisessa tasapainossa sekä mikroskooppiset että makroskooppiset ominaisuudet pysyvät muuttumattomina, kun taas dynaamisessa tasapainossa mikroskooppiset ominaisuudet muuttuvat, kun taas makroskooppiset ominaisuudet pysyvät muuttumattomina.
• Mekaniikassa järjestelmän, jossa ei ole epätasapainoisia ulkoisia voimia ja ulkoisia momentteja, voidaan katsoa olevan tasapainossa. Lisäksi, jos järjestelmä on paikallaan, se on staattisessa tasapainossa, ja jos se liikkuu vakionopeudella, se on dynaamisessa tasapainossa.
• Termodynaamisessa järjestelmässä, jos lämpötila on vakio ja lämmön ja massansiirron syöttö ja lähtö ovat yhtä suuret, järjestelmä on (dynaamisessa/termodynaamisessa) tasapainossa.
• Kemiallisessa järjestelmässä, jos eteenpäinreaktion ja taaksepäinreaktion nopeus ovat samat, järjestelmän sanotaan olevan dynaamisessa tasapainossa.
