Кіріспе
Химияда тұрақты күй – жүйенің күй айнымалылары, оларды өзгертуге тырысатын үздіксіз процестерге қарамастан, уақытқа қатысты өзгермейтін жағдай. Жүйенің толығымен тұрақты күйде болуы, яғни жүйенің барлық күй айнымалыларының тұрақты болуы үшін, жүйе арқылы ағын болуы керек (массалық тепе-теңдікпен салыстырыңыз). Мұндай жүйенің қарапайым мысалы – краны ашық, бірақ тоғысы ашық ванна: белгілі бір уақыттан кейін су ағыны мен шығыны теңеседі, соның салдарынан су деңгейі (күй айнымалысы – көлем) тұрақтанады және жүйе тұрақты күйде болады. Тұрақты күй тұжырымы химиялық тепе-теңдіктен өзгеше. Екеуі де концентрацияның өзгермейтін жағдайын тудыруы мүмкін, бірақ химиялық тепе-теңдіктегі жүйеде таза реакция жылдамдығы нөлге тең (реагенттер өнімдерге, ал өнімдер реагенттерге бірдей жылдамдықпен айналады), ал тұрақты күй тұжырымында мұндай шектеу жоқ. Шындығында, тұрақты күйге жету үшін реакцияның болуы міндетті емес. Тұрақты күй термині жүйенің кейбір, бірақ барлық емес, күй айнымалылары тұрақты болатын жағдайды сипаттау үшін де қолданылады. Мұндай тұрақты күйге жету үшін жүйе ағынды жүйе болуы шарт емес. Сондықтан, мұндай тұрақты күй химиялық реакциялар тізбегі жүзеге асатын жабық жүйеде де қалыптасуы мүмкін. Химиялық кинетика әдебиетінде бұл жағдай көбінесе «тұрақты күй жуықтауы» деп аталады. Қарапайым жүйелерде күй айнымалылары тұрақты күй мәніне жететінше біртіндеп кемиді немесе артады. Күрделі жүйелерде күй айнымалылары теориялық тұрақты күйдің айналасында мәңгілік циклмен (шектеу циклі) немесе бірте-бірте жақындасып, жақындасып кетуі мүмкін. Теориялық тұрғыдан алғанда, тұрақты күйге жету үшін шексіз уақыт қажет, дәл сияқты химиялық тепе-теңдікке жету үшін де шексіз уақыт керек. Алайда, екі тұжырым да осы тұжырымдар ұсынатын маңызды математикалық жеңілдетулерге байланысты жиі қолданылады. Бұл тұжырымдарды қолдануға бола ма, жоқ па, бұл негізгі болжамдардың тудырған қателігіне байланысты. Демек, тұрақты күй, теориялық тұрғыдан алғанда, тұрақты күштерді (мысалы, тұрақты ағын жылдамдығы және ағындағы тұрақты концентрациялар) талап ететін болса да, тұрақты емес күштерге ие жүйе үшін тұрақты күйді қабылдаудан туындаған қате, егер тұрақты күйге жеткілікті жылдам (салыстырмалы түрде) жақындаса, елеусіз болуы мүмкін.
In chemistry, a steady state is a situation in which all state variables are constant in spite of ongoing processes that strive to change them. For an entire system to be at steady state, i. e. for all state variables of a system to be constant, there must be a flow through the system (compare mass balance). A simple example of such a system is the case of a bathtub with the tap running but with the drain unplugged: after a certain time, the water flows in and out at the same rate, so the water level (the state variable Volume) stabilizes and the system is in a steady state. The steady state concept is different from chemical equilibrium. Although both may create a situation where a concentration does not change, in a system at chemical equilibrium, the net reaction rate is zero (products transform into reactants at the same rate as reactants transform into products), while no such limitation exists in the steady state concept. Indeed, there does not have to be a reaction at all for a steady state to develop. The term steady state is also used to describe a situation where some, but not all, of the state variables of a system are constant. For such a steady state to develop, the system does not have to be a flow system. Therefore, such a steady state can develop in a closed system where a series of chemical reactions take place. Literature in chemical kinetics usually refers to this case, calling it steady state approximation. In simple systems the steady state is approached by state variables gradually decreasing or increasing until they reach their steady state value. In more complex systems state variables might fluctuate around the theoretical steady state either forever (a limit cycle) or gradually coming closer and closer. It theoretically takes an infinite time to reach steady state, just as it takes an infinite time to reach chemical equilibrium. Both concepts are, however, frequently used approximations because of the substantial mathematical simplifications these concepts offer. Whether or not these concepts can be used depends on the error the underlying assumptions introduce. So, even though a steady state, from a theoretical point of view, requires constant drivers (e. g. constant inflow rate and constant concentrations in the inflow), the error introduced by assuming steady state for a system with non constant drivers may be negligible if the steady state is approached fast enough (relatively speaking).
Қолданылу мерзімі
Енді талдамалық және жуықталған шешімдерді салыстыру қажет, осылайша тұрақты күй шамалауын қолданудың қашан дұрыс екенін анықтауға болады. Аналитикалық шешім жуық шешімге айналады, себебі сонда және Сондықтан, тұрақты күй шамалауын тек екінші реакция бірінші реакциядан әлдеқайда жылдам болған жағдайда ғана қолдануға болады (бұл жиі қолданылатын өлшем), себебі бұл аралық заттар баяу түзіледі және жылдам реакцияға түседі, сондықтан оның концентрациясы төмен болады. Графиктерде А (қызыл), В (жасыл) және С (көк) концентрациялары екі жағдайда көрсетілген, олар талдамалық шешім бойынша есептелген. Егер бірінші реакция жылдам болса, [B] өзгеруі өте аз деп есептеу дұрыс емес, себебі [B] төмен де емес, тұрақтыға да жақын емес: алдымен А тез B-ге айналады, ал B баяу жоғалып кететіндіктен жинақталады. А концентрациясы төмендеген сайын оның түрлену жылдамдығы да төмендейді, сонымен бірге В-ның С-ға айналу реакциясының жылдамдығы артады, себебі В көбірек түзіледі, сондықтан максимумға жеткеннен кейін В концентрациясы төмендейді. Екінші реакция жылдам болған кезде, тұрақты күй шамалауы қолданылмайтын қысқа индукциялық кезеңнен кейін, В концентрациясы төмен болады (және абсолюттік мәнде шамалы тұрақты), себебі оның түзілу және жоғалу жылдамдықтары шамамен тең болады, сондықтан тұрақты күй шамалауын қолдануға болады. Химиялық кинетикада тепе-теңдік шамалау кейде тұрақты күй шамалауға ұқсас нәтижелер алу үшін қолданылады. Ол аралық заттың реакциядағы заттармен тез тепе-теңдікке келеді деген болжамға негізделген. Мысалы, Михаэлис-Ментен кинетикасы тұрақты күйдің орнына тепе-теңдік қабылдау арқылы туындатылуы мүмкін. Әдетте, тұрақты күй шамалауын қолдану талаптары жеңіл: аралық концентрацияның төмен және шамалы тұрақты болуы керек (көріп отырғанымыздай, бұл оның түзілу және жоғалу жылдамдықтарымен байланысты), бірақ оның тепе-теңдікте болуы міндетті емес.