Нехай є дві однакові судини, з'єднані між собою таким чином, що газ з однієї судини може перетікати в інший і нехай у початковий момент всі молекули газу знаходяться в одному посудині. Через деякий час відбудеться перерозподіл молекул, що призводить до виникнення рівноважного стану, що характеризується рівною ймовірністю знаходження молекул в обох судинах. Мимовільний перехід у вихідне нерівноважний стан, у якому всі молекули зосереджені одному з судин, майже неможливий. Процес переходу з рівноважного в нерівноважний стан виявляється дуже малоймовірним, оскільки розмір відносних флуктуацій параметрів при великих кількостях частинок у судинах дуже малий.
Цей висновок відповідає другому початку термодинаміки, який стверджує, що термодинамічна система мимовільно переходить з нерівноважного стану в рівноважний, тоді як зворотний процес можливий лише за зовнішніх впливів на систему.
Ентропія та ймовірність
Термодинамічної величиною, що характеризує напрямок протікання мимовільних термодинамічних процесів, є ентропія. Найімовірнішому рівноважному стану відповідає максимум ентропії.
Нехай є посудина обсягом V 0 , Всередині якого знаходиться одна молекула. Імовірність того, що частка буде виявлена всередині деякого обсягу V< V 0 , Виділеного всередині судини, дорівнює . Якщо в посудині знаходиться не одна, а дві частинки, то ймовірність їх одночасного виявлення у зазначеному обсязі визначається як добуток ймовірностей знаходження у цьому обсязі кожної з частинок:
.
Для N частинок ймовірність їх одночасного виявлення в обсязі V складе
.
Якщо в цій посудині виділити два об'єми V 1 і V 2 то можна записати відносини ймовірностей того, що всі молекули знаходяться у зазначених обсягах:
.
Визначимо збільшення ентропії в ізотермічному процесі
розширення ідеального газу від V 1 до V 2 :
Використовуючи ставлення, ймовірностей отримуємо:
.
Отримане вираз не визначає абсолютне значення ентропії в якомусь стані, а лише дає можливість знайти різницю ентропій у двох різних станах.
Для однозначного визначення ентропії використовують статистична вага G , значення якого виражається цілим позитивним числом та пропорційно ймовірності: G ~ P .
Статистичною вагою макростану називається величина, чисельно рівна кількості рівноважних мікростанів, за допомогою яких може бути реалізовано аналізований макростан.
Перехід до статистичної ваги дозволяє записати співвідношення для ентропії як формули Больцмана для статистичної ентропії :
Лекція 15
Явлення перенесення
Термодинамічні потоки
Термодинамічні потоки , Пов'язані з перенесенням речовини, енергії або імпульсу з однієї частини середовища в іншу, виникають у випадку, якщо значення тих чи інших фізичних параметрів відрізняються в обсязі середовища.
Дифузією називають процес мимовільного вирівнювання концентрацій речовин у сумішах. Швидкість дифузії залежить від агрегатного стану речовини. Найшвидше дифузія відбувається в газах і дуже повільно в твердих тілах.
Теплопровідністю називають явище, що призводить до вирівнювання температури у різних точках середовища. Велика теплопровідність металів пов'язана з тим, що в них перенесення теплоти здійснюється не внаслідок хаотичного руху атомів та молекул, як, наприклад, у газах або рідинах, а вільними електронами, що мають набагато більші швидкості теплового руху.
В'язкістю або внутрішнім тертям називають процес виникнення сили опору при русі тіла в рідині або газі та загасання звукових хвиль при проходженні їх через різні середовища.
Для кількісного опису термодинамічного потоку вводять величину
, де
Визначення 1
Статистична термодинаміка – великий розділ статистичної фізики, який формулює закони, що пов'язують всі молекулярні характеристики фізичних речовин з вимірюваними під час експериментів величинами.
Малюнок 1. Статистична термодинаміка гнучких молекул. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт
Статистичне вивчення матеріальних тіл присвячено обґрунтуванню постулатів та методів термодинаміки рівноважних концепцій та обчисленню важливих функцій з молекулярних постійних. Основу даного наукового напряму складають гіпотези та підтверджені дослідами припущення.
На відміну від класичної механіки, у статистичній термодинаміці вивчаються лише середні показання координат та внутрішніх імпульсів, а також можливість появи нових значень. Термодинамічні властивості макроскопічного середовища сприймаються як загальні параметри випадкових характеристик чи величин.
На сьогоднішній день вчені розрізняють класичну (Больцман, Максвелл) і квантову (Дірак, Фермі, Ейнштейн) термодинаміку. Основна теорія статистичного дослідження: існує однозначний та стабільний взаємозв'язок молекулярних особливостей частинок, які складають конкретну систему.
Визначення 2
Ансамбль у термодинаміці – практично нескінченна кількість термодинамічних концепцій, що знаходяться у різних, рівноймовірних мікростанах.
Середні параметри елемента, що фізично спостерігається, за великий період часу починає прирівнюватися до загальному значеннюз ансамблю.
Основна ідея статистичної термодинаміки
Малюнок 2. Статистична формулювання 2 закону термодинаміки. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт
Статистична термодинаміка встановлює та реалізує взаємодію мікроскопічної та макроскопічної систем. У першому науковому підході, що базується на класичній або квантовій механіці, детально описуються внутрішні стани середовища у вигляді координат та імпульсу кожної окремої частки у певний момент часу. Мікроскопічне формулювання вимагає розв'язання складних рівнянь руху для багатьох змінних.
Макроскопічний метод, що використовується класичною термодинамікою, характеризує виключно зовнішній стан системи і застосовує для цього невелику кількість змінних:
- температуру фізичного тіла;
- обсяг взаємодіючих елементів;
- число елементарних частинок.
Якщо всі речовини перебувають у рівноважному стані, їх макроскопічні показники будуть постійні, а мікроскопічні коефіцієнти поступово видозмінюватися. Це означає, що кожному стану статистичної термодинаміки відповідає кілька мікростанів.
Примітка 1
Основна ідея досліджуваного розділу фізики полягає в наступному: якщо кожному положенню фізичних тіл відповідає багато мікростанів, то кожне з них вносить в загальний макростан вагомий внесок.
З цього визначення слід виділити елементарні властивості функції статистичного розподілу:
- нормування;
- позитивна визначеність;
- середнє значення функції Гамільтона.
Усереднення за існуючими мікростанами проводять із застосуванням поняття статистичного ансамблю, що у будь-яких мікростанах, відповідних одному макростану. Сенс цієї функції розподілу у тому, що вона загалом визначає статистичний вага кожного стану концепції.
Основні поняття у статистичній термодинаміці
Для статистичного та грамотного опису макроскопічних систем вчені використовують дані ансамблю та фазового простору, що дозволяє вирішити класичні та квантові завдання методом теорії ймовірності. Мікроканонічний ансамбль Гіббса найчастіше використовується при дослідженні ізольованих систем, що мають постійний об'єм та кількість однаково заряджених частинок. Даний спосіб застосовується для ретельного опису систем стабільного об'єму, що знаходяться в тепловій рівновазі з навколишнім середовищем при постійному показнику елементарних частинок. Параметри великого ансамблю дозволяють визначити хімічний потенціал матеріальних речовин. Ізобарно-ізотермічна система Гіббса використовується для пояснення взаємодії тіл, що знаходяться в тепловій та механічній рівновазі у певному просторі при постійному тиску.
Фазовий простір у статистичній термодинаміці характеризує механіко-багатомірний простір, осями якого виступають усі узагальнені координати та пов'язані ним внутрішні імпульси системи з постійними ступенями свободи. Для системи, що складається з атомів, показники якої відповідають декартовій координаті, сукупність параметрів і теплової енергії буде позначатися відповідно до початкового стану. Дія кожної концепції зображується точкою у фазовому просторі, а зміна макростану у часі – рухом точки вздовж траєкторії конкретної лінії. Для статистичного опису властивостей навколишнього середовища вводяться поняття функції розподілу та фазового обсягу, що характеризують щільність ймовірності знаходження нової точки, що зображує реальний стан системи, а також речовини поблизу лінії з певними координатами.
Примітка 2
У квантовій механіці замість фазового обсягу застосовують поняття дискретного енергетичного спектра системи кінцевого обсягу, оскільки цей процес визначається не координатами та імпульсом, а хвильовою функцією, якою у динамічному стані відповідає весь спектр квантових станів.
Функція розподілу класичної системи визначатиме можливість реалізації конкретного мікростану в одному елементі обсягу фазового середовища. Імовірність знаходження частинок у нескінченно малому просторі можна порівняти з інтегруванням елементів за координатами та імпульсами системи. Стан термодинамічної рівноваги слід розглядати як граничний показник всіх речовин, де для функції розподілу виникають рішення рівняння руху, що складають концепцію частинок. Вигляд такого функціоналу, який однаковий для квантової та класичної системи, був уперше встановлений фізиком-теоретиком Дж. Гіббсом.
Обчислення статистичної функції у термодинаміці
Для правильного обчислення термодинамічної функції необхідно застосувати будь-який фізичний розподіл: всі елементи в системі еквівалентні один одному та відповідають різним зовнішнім умовам. Мікроканонічне розподіл Гіббса використовується головним чином теоретичних дослідженнях. Для вирішення конкретних і складніших завдань розглядають ансамблі, які мають енергію з середовищем і можуть здійснювати обмін частинками та енергією. Даний метод дуже зручний при дослідженні фазової та хімічної рівноваг.
Статистичні суми дозволяють вченим точно визначити енергію та термодинамічні властивості системи, отримані за допомогою диференціювання показників за відповідними параметрами. Всі ці величини набувають статистичного сенсу. Так, внутрішній потенціал матеріального тіла ототожнюється із середньою енергією концепції, що дозволяє вивчати перший початок термодинаміки як основний закон збереження енергії при нестабільному русі складових систему елементів. Вільна енергія пов'язана зі статистичною сумою системи, а ентропія - з кількістю мікростанів у конкретному макростані, отже, з його ймовірністю.
Сенс ентропії як заходи виникнення нового стану зберігається у зв'язку з довільним параметром. У стані повної рівноваги ентропія ізольованої системи має максимальне значення при правильно заданих зовнішніх умовах, тобто рівноважний загальний стан є ймовірним результатом з максимально статистичною вагою. Тому плавний перехід з нерівноважної позиції в рівноважну є процес зміни більш реальний стан.
У цьому полягає статистичний сенс закону зростання внутрішньої ентропії, за яким параметри замкнутої системи збільшуються. При температурі абсолютного нуля будь-яка концепція перебуває у стабільному стані. Це наукове твердження є третім початком термодинаміки. Варто зазначити, що для однозначного формулювання ентропії необхідно користуватися лише квантовим описом, тому що в класичній статистиці цей коефіцієнт визначено з максимальною точністю до довільного доданку.
Термодинаміка. Роботи Майєра, Джоуля, Гельмгольця дозволили виробити так званий. "закон збереження сил" (поняття "сила" і "енергія" на той час ще строго не відрізнялися). Проте перше ясне формулювання цього закону було отримано фізиками Р. Клаузіусом та У. Томсоном (лордом Кельвіном) на основі аналізу дослідження роботи теплової машини, яке провів С. Карно. Розглядаючи перетворення теплоти та роботи в макроскопічних системах С. Карно фактично започаткував нову науку, яку Томсон згодом назвав термодинамікою. Термодинаміка обмежується вивченням особливостей перетворення теплової форми руху на інші, не цікавлячись питаннями мікроскопічного руху частинок, що становлять речовину.
Термодинаміка, таким чином, розглядає системи, між якими можливий обмін енергією, без урахування мікроскопічної будови тіл, що становлять систему, та характеристик окремих частинок. Розрізняють термодинаміку рівноважних систем або систем, що переходять до рівноваги (класична, або рівноважна термодинаміка) та термодинаміки нерівноважних систем (нерівноважна термодинаміка). Класична термодинаміка найчастіше називається просто термодинамікою і вона становить основу так званої Термодинамічної Картини Світу (ТКМ), яка сформувалася до середини 19 ст. Нерівноважна термодинаміка набула розвитку в другій половині 20-го століття і відіграє особливу роль при розгляді біологічних систем та феномену життя в цілому.
Таким чином, при дослідженні теплових явищ виділилися два наукові напрями:
1. Термодинаміка, що вивчає теплові процеси без урахування молекулярної будови речовини;
2. Молекулярно-кінетична теорія (розвиток кінетичної теорії речовини на противагу теорії теплороду);
Молекулярно-кінетична теорія. На відміну від термодинаміки молекулярно-кінетична теорія характеризується розглядом різних макроскопічних проявів систем як результатів сумарної дії величезної сукупності молекул, що хаотично рухаються. Молекулярно-кінетична теорія використовує статистичний метод, цікавлячись не рухом окремих молекул, лише середніми величинами, які характеризують рух величезної сукупності частинок. Звідси друга назва молекулярно-кінетичної теорії – статистична фізика.
Перший початок термодинаміки. Спираючись на роботи Джоуля і Майєра, Клаузнус вперше висловив думку, що згодом сформувалася в перший початок термодинаміки. Він зробив висновок, що будь-яке тіло має внутрішню енергію U . Клаузіус назвав її теплом, яке міститься в тілі, на відміну від “тепла Q, повідомленого тілу”. Внутрішню енергію можна збільшити двома еквівалентними способами: провівши над тілом механічну роботу А, або повідомляючи йому кількість теплоти Q.
У 1860 р. У. Томсон остаточно замінивши застарілий термін "сила" терміном "енергія", записує перший початок термодинаміки у наступному формулюванні:
Кількість теплоти, повідомлена газу, йде збільшення внутрішньої енергії газу та здійснення газом зовнішньої роботи (рис.1).
Для нескінченно малих змін маємо
Перший початок термодинаміки, або закон збереження енергії, затверджує баланс енергії та роботи. Його роль можна порівняти з роллю своєрідного «бухгалтера» при взаємоперетворенні різних видів енергії один на одного.
Якщо процес циклічний, система повертається у вихідний стан і U1 = U2, a dU = 0. У цьому випадку все підведене тепло йде на здійснення зовнішньої роботи. Якщо у своїй і Q = 0, і А = 0, тобто. неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання роботи без будь-яких змін у інших тілах, тобто. робота "вічного двигуна" (perpetuum mobile).
Майєр у своїй роботі склав таблицю всіх розглянутих ним “сил” (енергій) природи та навів 25 випадків їх перетворень (тепло ® механічна робота ® електрика, хімічна «сила» речовини ® теплота, електрика). Майєр поширив положення про збереження та перетворення енергії та на живі організми (поглинання їжі ® хімічні процеси ® теплові та механічні ефекти). Ці приклади згодом були підкріплені роботами Гесса (1840), в яких досліджувалося перетворення хімічної енергії в теплоту, а також Фарадея, Ленца і Джоуля, в результаті яких був сформульований закон Джоуля-Ленца (1845) про зв'язок електричної та теплової енергії Q = J2Rt.
Таким чином, поступово протягом чотирьох десятиліть сформувався один з найбільших принципів сучасної науки, що призвів до об'єднання найрізноманітніших явищ природи. Цей принцип полягає в наступному: Існує певна величина, звана енергією, яка не змінюється при жодних перетвореннях, що відбуваються в природі. Винятків із закону збереження енергії не існує.
Контрольні питання
1. Чому дослідження теплових явищ та фазових переходів виявило неспроможність лапласівського детермінізму?
2. Що таке мікропараметри, макропараметри для дослідження теплових явищ?
3. З чим було пов'язано вивчення теплових явищ і коли воно почалося?
4. Назвіть вчених, чия праця лягла в основу фізики теплових явищ.
5. Що таке консервативні сили? Дисипативні сили? Наведіть приклади.
6. Для яких систем справедливий закон збереження механічної енергії?
7. Що таке потенційна енергія? Чи тільки до механічних систем застосовується поняття потенційної енергії? Поясніть.
8. Поясніть коротко теорію теплороду.
9. Які досліди, які спростовують теорію теплорода, було проведено Румфордом?
10. Чому теплоємності газу в процесах при постійному тиску (Ср) та при постійному обсязі (Сv) неоднакові? Хто з учених уперше виявив цей факт?
11. Що таке термодинаміка? Що вона вивчає?
12. Що вивчає молекулярно-кінетична теорія?
13. Що таке статистична фізика? Звідки така назва?
14. Сформулюйте перший термодинаміки.
15. З чим (кем) можна порівняти перший початок термодинаміки?
Література
1. Дягілєв Ф.М. Концепція сучасного природознавства. - М.: Вид. ІМПЕ, 1998.
2. Концепції сучасного природознавства. / За ред. проф. С.А. Самігіна, 2-ге вид. - Ростов н / Д: "Фенікс", 1999.
3. Дубніщева Т.Я.. Концепції сучасного природознавства. Новосибірськ: Вид-во ЮКЕА, 1997.
4. Ремізов О.М. Медична та біологічна фізика. - М.: Вища школа, 1999.
Розділ фізики, присвячений вивченню св у макроскопіч. тіл, т. е. систем, що складаються з дуже великого числа однакових ч ц (молекул, атомів, елнов і т. д.), виходячи зі св в цих ч ц і взаємин між ними. Вивченням макроскопії. тіл займаються та ін. Фізична енциклопедія
- (статистична механіка), розділ фізики, що вивчає властивості макроскопічних тіл (газів, рідин, твердих тіл) як систем з дуже великого (порядку числа Авогадро, тобто 1023 моль 1) числа частинок (молекул, атомів, електронів). У статистичній... Сучасна енциклопедія
- (статистична механіка) розділ фізики, що вивчає властивості макроскопічних тіл як систем із дуже великої кількості частинок (молекул, атомів, електронів). У статистичній фізиці застосовують статистичні методи, засновані на теорії ймовірностей. Великий Енциклопедичний словник
Статистична фізика- (статистична механіка), розділ фізики, що вивчає властивості макроскопічних тіл (газів, рідин, твердих тіл) як систем з дуже великого (порядку числа Авогадро, тобто 1023 моль 1) числа частинок (молекул, атомів, електронів). В… … Ілюстрований енциклопедичний словник
Сущ., кіл синонімів: 2 статті (2) фізика (55) Словник синонімів ASIS. В.М. Трішин. 2013 … Словник синонімів
СТАТИСТИЧНА ФІЗИКА- розділ теоретичної фізики, що вивчає властивості складних систем газів, рідин, твердих тіл та їх зв'язок із властивостями окремих частинок електронів, атомів та молекул, з яких ці системи складаються. Основне завдання С. ф.: знаходження функцій… Велика політехнічна енциклопедія
- (статистична механіка), розділ фізики, що вивчає властивості макроскопічних тіл як систем з великої кількості частинок (молекул, атомів, електронів). У статистичній фізиці застосовують статистичні методи, що базуються на теорії. Енциклопедичний словник
Розділ фізики, завдання якого висловити властивості макроскопічних тіл, тобто систем, що складаються з дуже великої кількості однакових частинок (молекул, атомів, електронів тощо), через властивості цих частинок та взаємодію між ними. Велика Радянська Енциклопедія
статистична фізика- statistinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. статистичні фізики vok. statistische Physik, f rus. статистична фізика f pranc. physique statistique, f … Fizikos terminų žodynas
- (Статистична механіка), розділ фізики, що вивчає властивості макроскопіч. тіл як систем із дуже великої кількості частинок (молекул, атомів, електронів). У С. ф. застосовують статистич. методи, що базуються на теорії ймовірностей. С. ф. розділщотла ... ... Природознавство. Енциклопедичний словник
Книжки
- Статистична фізика, Климонтович Ю.Л.. Даний курс відрізняється від існуючих як за змістом, так і характером викладу. Весь матеріал викладається з урахуванням єдиного методу - теорія нерівноважного стану служить стрижнем…
- Статистична фізика, Л. Д. Ландау, Е. М. Ліфшиц. Видання 1964 року. Безпека хороша. У книзі дано чіткий виклад загальних принципів статики і наскільки можна повніше виклад їх численних застосувань. Друге видання доповнює...
Термодинамічна система, колектив та його стани. Метод ансамблів. Ентропія та ймовірність. Канонічний ансамбль Гіббса. Канонічне розподілення. Чинник Гіббса. Імовірності, вільна енергія та статистична сума.
Система та підсистеми. Загальні характеристики статистичних сум. Статистична сума пробної частки та колективу.
Ідеальний газ. Розподіл Больцмана. Чинник Больцмана. Квантові стани та дискретні рівні простих молекулярних рухів. Статистична вага рівня (виродженість). Суми за рівнями та суми за станами.
Системи локалізовані та делокалізовані. Трансляційна сума станів, невиразність частинок, стандартний обсяг. Обертальна сума за рівнями двоатомної молекули, орієнтаційна невиразність і число симетрії. Статистичні суми для одного та кількох обертальних ступенів свободи. Коливальна статистична сума у гармонійному наближенні. Коригування статистичних сум простих рухів. Нульовий рівень коливань, шкала молекулярної енергії та молекулярна сума станів.
Вільна енергія A та статистичні формули для термодинамічних функцій: ентропія S, тиск p, внутрішня енергія U, ентальпія H, енергія Гіббса G, хімічний потенціал m. Хімічна реакціята константа рівноваги Kp у системі ідеальних газів.
1. Введення. Короткий нагадування основних відомостей з термодинаміки.
…Зручно термодинамічні аргументи і певні з допомогою функції стану уявити як єдиного масиву взаємозалежних змінних. Цей спосіб був запропонований Гіббсом. Так, скажімо, ентропія, яка за визначенням є функцією стану, переміщується в розряд однієї з двох природних калоричних змінних, доповнюючи в цій своїй якості температуру. І якщо в будь-яких калоричних процесах температура виглядає як інтенсивна (силова) змінна, то ентропія набуває статусу екстенсивної змінної – теплової координати.
Цей масив завжди можна доповнити новими функціями стану або у разі потреби рівняннями стану, що пов'язують між собою аргументи. Число аргументів, мінімально необхідне вичерпного термодинамічного опису системи, називається числом ступенів свободи. Воно визначається з фундаментальних міркувань термодинаміки та може бути зменшено завдяки різним рівнянням зв'язку.
У такому єдиному масиві можна змінювати ролями аргументи та функції стану. Цей прийом широко використовується в математиці при побудові зворотних та неявних функцій. Мета подібних логічних і математичних прийомів(досить тонких) одна – досягнення максимальної компактності та стрункості теоретичної схеми.
2. Характеристичні функції. Диференціальні рівняння Массьє.
Масив змінних p, V, T зручно доповнити функцією стану S. Між ними є два рівняння зв'язку. Одне їх виражено як постулюваної взаємозалежності змінних f(p,V,T) =0. Говорячи про "рівняння стану", найчастіше саме цю залежність мають на увазі. Проте будь-якій функції стану відповідає нове рівняння стану. Ентропія за визначенням є функцією стану, тобто. S = S (p, V, T). Отже, між чотирма змінними існує два зв'язку, й у ролі незалежних термодинамічних аргументів можна назвати лише два, тобто. для вичерпного термодинамічного опису системи достатньо двох ступенів свободи. Якщо цей масив змінних доповнити новою функцією стану, то поруч із новою змінною утворюється і ще одне рівняння зв'язку, і, отже, число ступенів свободи не збільшиться.
Історично першою із функцій стану була внутрішня енергія. Тому за її участю можна сформувати вихідний масив змінних:
Масив рівнянь зв'язку у разі містить функції виду
f(p, V, T) = 0, 2) U = U (p, V, T), 3) S = S (p, V, T).
Ці величини можна змінювати ролями чи формувати їх нові функції стану, але у разі суть справи не зміниться, і залишаться дві незалежні змінні. Теоретична схема не вийде за межі двох ступенів свободи доти, доки не виникне потреба врахувати нові фізичні ефекти та пов'язані з ними нові перетворення енергії, і їх виявиться неможливо охарактеризувати без розширення кола аргументів та кількості функцій стану. Тоді може змінитися і кількість ступенів свободи.
(2.1)3. Вільна енергія (енергія Гельмгольца) та її роль.
Стан ізотермічної системи з постійним обсягом доцільно описувати у вигляді вільної енергії (функції Гельмгольца). У цих умовах вона є характеристичною функцією та ізохорно-ізотермічним потенціалом системи.
За допомогою приватного диференціювання з неї можна витягти інші необхідні термодинамічні характеристики, а саме:
(3.1)Побудувати явний вид функції вільної енергії для деяких простих систем можна методом статистичної термодинаміки.
4. Про рівновагу.
У будь-якому природно протікає (самовільному або вільному) процесі вільна енергія системи знижується. При досягненні системою стану термодинамічної рівноваги її вільна енергія досягає мінімуму і вже у рівновазі далі зберігає постійне значення. З рівноваги систему можна вивести рахунок зовнішніх сил, підвищуючи її вільну енергію. Такий процес вже не може бути вільним – він буде вимушеним.
Мікроскопічні рухи частинок й у рівновазі не припиняються, й у системі, що з величезної кількості частинок і підсистем будь-якої природи, можливо безліч різних приватних варіантів і комбінацій окремих частин й усередині них, але вони виводять систему з рівноваги.
Термодинамічна рівновага в макросистемі зовсім не означає, що й у її мікроскопічних фрагментах зникають усі види руху. Навпаки, рівновага забезпечується динамікою саме цих мікроскопічних рухів. Вони здійснюють безперервне вирівнювання - згладжування спостережуваних макроскопічних ознак і властивостей, не допускаючи їх викидів та надмірних флуктуацій.
5. Про статистичний метод.
Основною метою статистичного методу є встановлення кількісного зв'язку між характеристиками механічних рухів окремих частинок, що становлять рівноважний статистичний колектив, та усередненими властивостями цього колективу, які доступні для термодинамічних вимірювань макроскопічними методами.
Ціль полягає в тому, щоб на підставі механічних характеристик рухів окремих мікроелементів рівноважного колективу вивести кількісні закони для термодинамічних параметрів системи.
6. Рівноваги та флуктуації. Мікростану.
Відповідно до методу Гіббса термодинамічна система - це колектив - сукупність дуже великої кількості елементів - однотипних підсистем.
Кожна підсистема у свою чергу може також складатися з дуже великої кількості інших ще дрібніших підсистем і, у свою чергу, може грати роль цілком самостійної системи.
Усі природні флуктуації всередині рівноважної системи рівноваги не порушують, вони сумісні зі стійким макроскопічним станом величезного колективу частинок. Вони просто перерозподіляють ознаки окремих елементів колективу. Виникають різні мікростани, і всі вони суть версії одного і того ж макростату, що спостерігається.
Кожна окрема комбінація станів елементів колективу породжує лише одне з величезної кількості можливих мікростанів макросистеми. Всі вони у фізичному сенсі рівноцінні, всі призводять до одного й того ж набору вимірних фізичних параметрів системи та відрізняються лише якимись деталями розподілу станів між елементами...
Всі мікростани сумісні з макроскопічним - термодинамічною рівновагою, і числовий розкид окремих складових вільної енергії (її енергії та ентропії) є цілком звичайною обставиною. Треба розуміти, що розкид виникає рахунок безперервного обміну енергією між частинками – елементами колективу. В одних елементів вона зменшується, але в інших збільшується.
Якщо система перебуває в термостаті, то безперервно здійснюється обмін енергією і з навколишнім середовищем. Відбувається природне енергетичне перемішування колективу, рахунок безперервного обміну між мікрочастинками колективу. Рівнавага постійно підтримується через тепловий контакт із зовнішнім термостатом. Так у статистиці найчастіше називають навколишнє середовище.
7. Метод Гіббса. Статистичний ансамбль та її елементи.
Створюючи універсальну схему статистичної механіки, Гіббс використав напрочуд простий прийом.
Будь-яка реальна макроскопічна система це колектив з величезної кількості елементів - підсистем. Підсистеми можуть мати і макроскопічні розміри, і можуть бути мікроскопічними, аж до атомів та молекул. Все залежить від розглянутого завдання та рівня дослідження.
У різні моменти часу у різних точках реальної системи, у різних просторових регіонах макроскопічного колективу миттєві характеристики його малих елементів можуть бути різні. "Неоднорідності" у колективі постійно мігрують.
Атоми та молекули можуть перебувати у різних квантових станах. Колектив величезний, у ньому представлені різні комбінації станів фізично однакових частинок. На атомно-молекулярному рівні завжди відбувається обмін станами, має місце їх безперервне перемішування. Завдяки цьому властивості різних фрагментів макроскопічної системи вирівнюються, і макроскопічний стан термодинамічної системи, що фізично спостерігається, зовні виглядає незмінним.
