תרמודינמיקה הינה תורה פיזיקאלית המתארת התנהגות של מערכות מתוך שיקולי אנרגיה ועבודה.
לכן, כאשר נבוא לבחון התנהגות של מערכת בראיה תרמודינאמית נזנח את הקינטיקה, כלומר הדרך שבה היא עוברת ממצב למצב ונתעניין רק בשינוים האנרגטיים בין המצב הישן למצב החדש. שינויים במצב המערכת כוללים בדרך כלל חילוף חום, תנועת חומר, שינויי לחצים ונפחים וכדומה.אולם חוקי התרמודינמיקה יכולים להיות מוכלים גם על תחומים נוספים בפיזיקה כגון שדות חשמליים ומגנטיים.
כבכול תורה פיזיקאלית, התרמודינאמיקה מגדירה מספר פרמטרים אשר באמצעותם ניתן לנבא ולהסביר תופעות פיסיקליות.
האנטרופיה S, האנרגיה הפנימית U, האנטלפיה H, האנרגיה החופשית של גיבס G והאנרגיה החופשית של הלמהולץ A הם הנפוצים ביותר. לכל מערכת יש לבחון את הפרמטר המתאים לתאר אותה.
תהליכים הכוללים ירידה באנרגיה החופשית הם תהליכים "רצויים" מבחינה תרמודינמית ולכן אמורים להתרחש בצורה ספונטנית. השינויים אמורים להיעצר כאשר המערכת מגיעה למינימום של האנרגיה החופשית שלה- מצב של שיווי משקל. אבל מה קורה אם בדרך אל המינימום המוחלט של האנרגיה המערכת צריכה לעבור דרך "מחסום פוטנציאל" – לעלות גבוה מאוד באנרגיה בדרך למצב הנמוך באנרגיה שהוא הרצוי על המערכת? במצב כזה המערכת עשוייה להתקע במצב של שיווי משקל מדומה (quazi- equilibrium).
מצב כזה מתואר גם כ"מינימום מקומי" – המערכת נמצאת במינימום מקומי של אנרגיה ולמעשה תקועה בו עד שתשיג מספיק אנרגיה כדי לחצות את מחסום האנרגיה החוצץ בינה לבין המינימום האמיתי שהוא מצב של שיווי משקל "אמיתי". מצב כזה עשוי להיראות כמצב שיווי משקל כיוון שמהערכת עשוייה להתקע בו למשך זמן ארוך מאוד (לעיתים אפילו לתמיד) ולכן הצופה במערכת עשוי לעתים לחשוב שהמערכת הגיע למצב שיווי משקל. למערכות מורכבות לא ניתן אפילו לעתים לעשות את ההבחנה בין שיווי משקל אמיתי ומדומה.
כדי להבין מהו מצב מינימום באנרגיה נניח כי המערכת שלנו היא כדור המוחזק מעל ריצפה קשיחה. ברור שמצב זה אינו יציב תרמודינאמית מכיוון ששחרור הכדור יגרור שינוי ספונטני במערכת - הכדור יפול לרצפה, מה שיגרום לירידה באנרגיה הפוטנציאלית שלו ולכן רצוי תרמודינמית. אם נרחיב את המקרה לסדרה של מצבים בהם הכדור מוחזק בגבהים שונים מעל הרצפה נגלה שכל אחד מהם שונה מהאחר אנרגטית כאשר רק במקרה אחד המערכת תהייה בשיווי משקל, כאשר הכדור מונח על הרצפה.
במערכות מעט מורכבות יותר ניתן להגיע למצבים יציבים של המערכת אשר אינם מתארים את מינימום האנרגיה המוחלט האפשרי במערכת. אם נתייחס לדוגמה הקודמת, נניח כי נוסיף שולחן למערכת. כעת אפשר לדמיין שלושה מקרים: נשחרר את הכדור כך שיפול על השולחן ו- (1) ינתר ויפול על הרצפה (2) יתגלגל על השולחן למעט זמן ויפול על הרצפה או (3) יעצר על השולחן. המקרה השלישי מתאר מצב יציב (quazi-equilibrium) בו המערכת יכולה להשאר זמן רב אך שינוי נוסף, ספונטאני או יזום עלול לגרום לתנועה מהירה של המערכת למצב שיווי המשקל בו הכדור נמצא על הרצפה.
אם נתאר את האנרגיה החופשית כפונקציה של מצב המערכת נקבל עקומה בה ישנה נקודת מינימום אחת או יותר. המינימום הנמוך ביותר הוא מצב שיווי המשקל של המערכת. "בורות" בעקומה מתארים מצבים יציבים מכיוון שבכול שינוי קטן בתוך הבור האנרגיה החופשית עולה, כלומר המערכת שואפת שלא להשתנות (מצב 1 באיור השמאלי). במצב 2 באיור השמאלי נגרם למערכת שינוי גדול, כלומר ניתנה למערכת מספיק אנרגיה כדי לעבור את המחסום (לדוגמה ניתן לכדור עוד אנרגיה ע"י כך שנדחוף אתו) והיא תצליח לצאת מהמינימום המקומי ולהגיע למינימום המוחלט.
עקומה אחידה עקומה עם "בור"
בחיי היום יום אנו נתקלים במצבים יציבים בהרבה מקרים ואולי המרשים מכולם הוא קירור היתר. במצב זה מים מוחזקים בטמפרטורה שמתחת לנקודת הקפיאה במצב נוזלי. מכה קטנה על הכלי במצב זה תגרום קפיאה ספונטאנית מהירה של המים.
מאת: ניר קדם ותמר ילין
הפקולטה לכימיה
מכון וייצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
