Questo articolo spiega cos’è lo stato stazionario, le sue applicazioni in diversi campi scientifici e anche qual è la differenza tra uno stato stazionario e uno stato transitorio.
Cos’è lo stato stazionario?
Lo stato stazionario è uno stato in cui si trova un sistema se tutte le variabili che ne definiscono il comportamento rimangono costanti. In altre parole, un sistema è in uno stato stabile se tutte le sue variabili non cambiano valore.
Matematicamente, un sistema o processo è in uno stato stazionario se le derivate parziali di tutte le sue proprietà (p) rispetto al tempo (t) sono zero.
Ciò significa che la seguente equazione è valida per periodi di tempo discreti:
In fisica, lo stato stazionario è definito come lo stato in cui si trova un sistema quando le sue caratteristiche non variano nel tempo, come posizione, temperatura, energia interna, ecc. rimangono costanti.
Applicazioni di stato stazionario
Vedremo poi cosa significa stato stazionario in base al suo dominio di applicazione.
Termodinamica
In termodinamica lo stato stazionario è lo stato in cui un sistema aperto è in equilibrio e in cui le variabili di stato (temperatura, volume, pressione, ecc.) non cambiano.
Pertanto, anche le funzioni di stato (entropia, entalpia, energia interna, ecc.) non variano nel tempo. L’entropia generata in stato stazionario è quindi minima.
Chimica
In chimica, in particolare nello studio delle reazioni chimiche, lo stato di equilibrio viene raggiunto quando le concentrazioni dei diversi composti chimici non variano nel tempo.
Quando viene effettuata una reazione chimica con una miscela di diversi elementi chimici, le concentrazioni dei diversi elementi nella reazione cambiano nel tempo. Pertanto, lo stato di equilibrio viene raggiunto quando le concentrazioni rimangono costanti.
Meccanico
Nell’ingegneria meccanica, lo stato stazionario è lo stato di equilibrio raggiunto quando una forza periodica viene applicata a un sistema meccanico e passa un certo periodo di tempo finché le variabili che lo definiscono rimangono costanti.
Ad esempio, quando si esercita una forza su un pendolo, questo inizia ad oscillare fino a fermarsi completamente a causa dell’attrito tra il pendolo e l’aria. Quindi, tutte le variabili che definiscono il movimento del pendolo saranno pari a zero e non cambieranno il loro valore se al pendolo non viene applicata alcuna altra forza.
elettronico
In elettronica, un sistema è considerato in uno stato stazionario quando gli effetti dei transitori non sono più significativi.
Tipicamente, quando un sistema elettronico è collegato a una corrente elettrica e inizia a funzionare, trascorre un certo periodo di tempo prima che raggiunga il suo normale stato operativo.
È quindi importante determinare quando il sistema elettronico si trova in uno stato stabile, poiché le sue caratteristiche e capacità saranno diverse a seconda che si trovi in uno stato transitorio o stabile.
Economia
In economia, una regione è in uno stato stabile quando ha un numero stabile di abitanti il cui consumo è stabile e, inoltre, il consumo della popolazione è inferiore alla capacità massima della regione.
Nel modello economico di Robert Solow e Trevor Swan, lo stato stazionario si verifica quando l’investimento di capitale lordo è uguale al deprezzamento e l’economia raggiunge l’equilibrio economico.
Stato stazionario e stato transitorio
In questa sezione vedremo la differenza tra stato stazionario e stato transitorio.
Lo stato transitorio , detto anche stato non stazionario , è lo stato di un sistema in cui le variabili che ne definiscono il comportamento variano il loro valore nel tempo.
Pertanto, la differenza tra stato stazionario e stato transitorio (o stato instabile) è se le variabili sono costanti o meno. In uno stato stazionario le variabili rimangono costanti, tuttavia in uno stato transitorio le variabili cambiano il loro valore.
Nella stragrande maggioranza dei casi, per raggiungere uno stato stazionario, è necessario prima attraversare uno stato transitorio, in modo che dopo un certo tempo le variabili si stabilizzino e rimangano costanti.