Stare macroscopică
Această intrare sau secțiune despre subiectul fizicii nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
În fizică , prin stare macroscopică (sau macrostată ) a unui sistem ne referim la o combinație de variabile care descriu acest sistem într-un mod complet, astfel încât să poată fi studiat din punct de vedere „macroscopic”, adică în așa fel încât investigarea sistemului este efectuată de un observator (real sau imaginar) poziționat în raport cu sistemul la o „distanță”, astfel încât să înțeleagă caracteristicile sale globale mai degrabă decât caracteristicile particulelor individuale care alcătuiesc sistemul.
Variabilele care definesc un sistem din punct de vedere macroscopic se numesc „variabile macroscopice”. Câteva exemple de variabile macroscopice ale sistemelor termodinamice sunt: temperatura , presiunea , volumul și compoziția.
O stare macroscopică reprezintă de obicei o simplificare a unei situații într-un sistem complex. Avantajele unei reprezentări macroscopice stau tocmai în imediatitatea informațiilor care altfel ar fi dificil de tratat; un sistem compus din N elemente, fiecare cu n caracteristici independente (de exemplu poziția și viteza unei particule pe cele trei axe cartesiene), are nevoie în general de ecuații N * n pentru a fi reprezentate; dacă numărul componentelor este mare (așa cum poate fi și numărul moleculelor dintr-o anumită cantitate de gaz), o reprezentare de acest tip poate fi prohibitivă. Tratamentul macroscopic, pe de altă parte, oferă informații generale (adesea, ca în cazul presiunii și temperaturii în sistemele termodinamice, de tip statistic ).
Macrostate și microstate
În studiul sistemelor, o „stare macroscopică” poate fi considerată ca manifestarea unei familii de stări microscopice nedistinguibile („microstate”). O stare microscopică este o configurație internă specială a sistemului, care nu poate fi reprezentată în mod unic cu variabile macroscopice. Mărimea unei familii sau numărul de microstate nedistinguibile depinde de probabilitatea apariției menționate anterior, de tipul de informații pe care îl aveți despre sistem și de acuratețea acestora.
Luați în considerare, de exemplu, un obiect A (o particulă), plasat într-un container închis, și imaginați-vă că aveți informații numai despre cantitatea de obiecte dintr-o jumătate dată a containerului. Apelând V și W cele două jumătăți ale containerului, se vor obține două configurații posibile: fie A este în V, fie A este în W. Ambele configurații vor avea o probabilitate de 50% să apară. În acest caz simplu, există doar două microstate (cele două configurații posibile).
Acum imaginați-vă introducând un obiect B, care nu se distinge de A în cutie. Prin urmare, vor exista patru posibile microstate, cărora le atribuim aceeași probabilitate de 25%.
VW
AB --- 1/4
AB 1/4
BA 1/4
--- AB 1/4
Cu toate acestea, s-a spus că A și B nu se pot distinge. Microstatele 2 și 3 vor fi, prin urmare, de asemenea, indistincte. Apare trei „macrostate” observabile, care pot fi rezumate după cum urmează:
- Două obiecte în V
- Un obiect în V și unul în W.
- Două obiecte în W
Rețineți că 1) și 3) sunt la fel de probabil (25%) să apară, în timp ce macrostatul 2) este cel mai probabil, cu o probabilitate de 50% să apară.
Cu patru particule ABCD, se vor obține 16 posibile microstate, dar doar 5 macrostate, dintre care două sunt foarte puțin probabil (toate particulele în W sau toate particulele în V; 1 probabilitate în 16), două puțin probabil (o particulă în stânga și trei la dreapta și invers; probabilitatea 1 din 4) și probabil, două particule la stânga și două la dreapta, cu 3 din 8 probabilități.
Extinzând exemplul la N particule, vom avea N ^ 2 posibile microstate (pe care le presupunem întotdeauna echiprobabile, deci fiecare cu probabilitate de apariție 1 / N ^ 2) și N + 1 macrostate (acesta din urmă este un rezultat absolut non-general , legat de construcția exemplului nostru). Dintre acestea, cel mai probabil macrostat va fi cel care vede particulele distribuite uniform, iar probabilitățile de observare a unui macrostat vor fi cu atât mai mici cu cât este mai mare neuniformitatea distribuției (în exemplul nostru, cele mai puțin probabile macrostate sunt cele care vezi toate particulele din W sau toate din V).
Cantitatea de microstate nedistinguibile depinde în mod clar nu numai de tipul de sistem, ci și de tipul și calitatea informațiilor obținute din sistem. Dacă, de exemplu, particulele ar putea fi „marcate” în exemplul propus, microstatele N ^ 2 ar deveni toate distincte, fiecare urmând să coincidă cu un singur macrostat. Sau, dacă instrumentele noastre ar fi mai puțin precise, numărul microstatelor nedistinguibile ar crește, prin urmare scăderea numărului de macrostate. De exemplu, s-ar putea să nu distingem macrostatele apropiate unele de altele, cum ar fi cea în care V conține N particule și W niciuna de cea în care V conține N-1 și W doar una.
Macrostatele și starea de echilibru
Rezultă din ceea ce s-a spus că un sistem capabil să presupună un număr de N de microstate, dacă este lăsat liber să evolueze, se mută rapid în cea mai probabilă configurație, în jurul căreia oscilează mai mult sau mai puțin slab. Dacă instrumentele de măsurare nu sunt infinit de precise și dacă N este suficient de mare, macrostatele se extind, iar probabilitățile de observare a macrostatului „central” sunt foarte apropiate de 1. Prin urmare, pentru sistemele macroscopice, când vorbim de o „stare de echilibru "ne referim de fapt la o macrostată de la care este foarte puțin probabil (deși nu imposibil) ca sistemul să se abată apreciabil.
