Microstat (fizică)

În mecanica statistică , o stare microstatică sau microscopică a unui sistem termodinamic este o configurație specifică și detaliată asumată de sistem în timpul fluctuațiilor sale termice .

Dacă luăm în considerare un sistem compus din N particule, starea microscopică a acestui sistem este complet definită de variabile 6N: componentele 3N ale poziției (x, y, z) și componentele 3N ale impulsului ( $p_{x}$ ${\ displaystyle p_ {x}}$ $p_ {x}$ , $p_{y}$ ${\ displaystyle p_ {y}}$ $p_ {y}$ , $p_{z}$ ${\ displaystyle p_ {z}}$ ${\ displaystyle p_ {z}}$ ). Când N este foarte mare (de ordinul de mărime al numărului Avogadro ) problema definirii stării nu poate fi abordată din punctul de vedere al mecanicii clasice ci din punctul de vedere al mecanicii statistice.

Conceptul de microstat precede cel de macrostat al unui sistem, care se referă la proprietăți macroscopice, cum ar fi temperatura și presiunea , și este caracterizat printr-o distribuție a probabilității pe un anumit set de microstate, care descrie probabilitatea de a găsi sistemul într-un anumit microstat .

Sistemul fluctuează între multe microstate diferite, astfel de fluctuații devin din ce în ce mai puțin probabile pe măsură ce sistemul devine mai mare: limita termodinamică înseamnă că microstatele vizitate de un sistem în timpul fluctuațiilor sale au aceleași proprietăți macroscopice.

Definiții microscopice ale conceptelor termodinamice

Definițiile mărimilor termodinamice fundamentale leagă proprietățile termodinamice ale unui sistem de distribuția pe seturile sale de microstate. Aceste definiții, raportate mai jos, sunt valabile și în sisteme foarte departe de echilibrul termodinamic .

Un sistem este distribuit pe un set de N microstate, $p_{i}$ ${\ displaystyle p_ {i}}$ $p_ {i}$ este probabilitatea asociată cu microstatul i , e $E_{i}$ ${\ displaystyle E_ {i}}$ $E_ {i}$ este energia lui. Se presupune că microstatele formează un set discret, ed $E_{i}$ ${\ displaystyle E_ {i}}$ $E_ {i}$ este un nivel de energie al sistemului.

Energie interna

Energia internă este media energiei sistemului

U=\langle E\rangle =\sum _{i=1}^{N}p_{i}\,E_{i}

{\ displaystyle U = \ langle E \ rangle = \ sum _ {i = 1} ^ {N} p_ {i} \, E_ {i}}

U = \ langle E \ rangle = \ sum _ {{i = 1}} ^ {N} p_ {i} \, E_ {i}

Această definiție este traducerea primei legi a termodinamicii .

Entropie

Entropia absolută depinde exclusiv de probabilitatea microstatelor. Definiția sa este următoarea:

S=-k_{B}\,\sum _{i=1}^{N}p_{i}\log(p_{i})

{\ displaystyle S = -k_ {B} \, \ sum _ {i = 1} ^ {N} p_ {i} \ log (p_ {i})}

S = -k_ {B} \, \ sum _ {{i = 1}} ^ {N} p_ {i} \ log (p_ {i})

,

unde este $k_{B}$ ${\ displaystyle k_ {B}}$ $k_ {B}$ este constanta lui Boltzmann

Comportamentul entropiei este în acord cu a doua lege a termodinamicii . A treia lege a termodinamicii se referă, de asemenea, la această definiție, deoarece o entropie absolută de 0 înseamnă că toate macrostatele sistemului sunt reduse la un singur microstat.

Căldură și muncă

Munca este energia transferată asociată cu efectul unei acțiuni macroscopice și ordonate asupra sistemului. Nu este posibil să se producă un salt al nivelului de energie al unei componente microscopice a unui sistem ca efect direct al muncii, dar este posibil să se schimbe energia nivelului de energie al sistemului.

Pe de altă parte, căldura este energia transferată asociată cu acțiune microscopică și dezordonată asupra sistemului, asociată cu salturi ale nivelurilor de energie pentru componentele microscopice ale sistemului.

Definițiile microscopice ale căldurii și ale muncii sunt după cum urmează:

\delta W=\sum _{i=1}^{N}p_{i}\,dE_{i}

{\ displaystyle \ delta W = \ sum _ {i = 1} ^ {N} p_ {i} \, dE_ {i}}

\ delta W = \ sum _ {{i = 1}} ^ {N} p_ {i} \, dE_ {i}

\delta Q=\sum _{i=1}^{N}E_{i}\,dp_{i}

{\ displaystyle \ delta Q = \ sum _ {i = 1} ^ {N} E_ {i} \, dp_ {i}}

\ delta Q = \ sum _ {{i = 1}} ^ {N} E_ {i} \, dp_ {i}

astfel încât

~dU=\delta W+\delta Q

{\ displaystyle ~ dU = \ delta W + \ delta Q}

~ dU = \ delta W + \ delta Q

Atenție: cele două definiții anterioare ale căldurii și ale muncii sunt printre puținele expresii ale mecanicii statistice în care suma corespunzătoare cazului cuantic nu poate fi convertită într-o integrală în limita clasică a unui continuum de microstate . Motivul este că microstatele clasice nu sunt adesea definite în raport cu o microstată cuantică asociată exactă, ceea ce înseamnă că atunci când lucrarea schimbă energia asociată cu nivelul de energie al sistemului, energia microstatelor clasice nu urmează această schimbare.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « microstat »

linkuri externe

( EN ) Unele ilustrații ale microstatelor versus macrostatelor , pe theory.physics.manchester.ac.uk .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica