Тепловое равновесие как макросостояние

Концепция макросостояний объектов. Тепловое равновесие как макросостояние. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии. Два способа описания природы на макроуровне.

Лекция №10.

Масса любого макрообъекта велика: он содержит огромное число атомов (порядка числа Авогадро N @6×10²⁶ атомов в киломоле), совершающих беспорядочное движение.

Необходимо отметить, что любая макросистема, находящаяся в фиксированных внешних условиях, независимо от ее начальных свойств с течением времени самопроизвольно переходит в состояние, называемое тепловымравновесием. В этом состоянии она может находиться до тех пор, пока не изменятся внешние условия. Состояние теплового равновесия принято называть термодинамическим состоянием, или макросостоянием.

Каждая реальная молекула в состоянии теплового равновесия газа испытывает только случайные столкновения с подобными себе молекулами (если сам газ имеет малую плотность) и со стенками сосуда. К такому газу следует применять модель системы взаимодействующих частиц, находящуюся под внешним воздействием. Но можно построить более простую модель, чем эта, если вместо реальных молекул ввести некие вымышленные объекты – квазичастицы, которые между собой не взаимодействуют, приписав их хаотичность неконтролируемому воздействие окружения сосуда.

В реальности же даже в газе из одинаковых частиц процесс приближения к тепловому равновесию происходит не одновременно по той причине, что реальные молекулы имеют неодинаковые скорости. Таким образом, в установлении и поддержании теплового равновесия решающая роль принадлежит неконтролируемому тепловому воздействию, которое определяет параметры макросостояния системы.

В состоянии теплового равновесия характеристики окружения переносятся на сам объект, поэтому становится ненужным подробное описание движения каждой отдельной молекулы газа. Теперь газ в целом исчерпывающе описывается с помощью нескольких характеристик среды. К числу таких величин, помимо температуры, относятся также давление и химический потенциал, характеризующий энергию, переносимую отдельной частицей сквозь границу объекта, если его стенки проницаемы. Принято говорить, что эти характеристики задают макросостояние объекта.

Внешнее окружение макрообъектов в условиях теплового равновесия принято называть термостатом. Предполагается, что число частиц в термостате всегда на много порядков больше, чем число частиц в рассматриваемом макрообъекте, как например, в озере по сравнению с брошенным в него камнем. В крайнем случае, в термостат можно включить всю Вселенную, т.е. это мегаобъект. Поэтому свойства термостата предполагаются неизменными и подробно не описываются.

В макрообъекте его макросостояние задается совокупностью макропараметров:

1. относящиеся к характеристикам макрообъекта самого по себе (внутренняя энергия, число частиц, объем и т.п.);

2. относящиеся к термостату (температура, давление и химический потенциал).

В условиях теплового равновесия предполагается, что эти характеристики внешнего неконтролируемого воздействия можно приближенно сопоставить и самому исследуемому макрообъекту. Однако точность этого сопоставления зависит от соотношения числа частиц в макрообъекте и термостате. Если в предельном случае макрообъект содержит достаточно малое число частиц, то флуктуации макропараметров могут быть весьма значительными.