Förhållandet mellan termisk jämvikt och mikroskopiska partiklars rörelse ligger i det faktum att termisk jämvikt är en "termodynamisk jämvikt" där det makroskopiska systemet är statiskt medan det mikroskopiska systemet är i kontinuerlig rörelse. Dess makroskopiska stabilitet är exakt det statistiska medelvärdet av den slumpmässiga termiska rörelsen hos ett stort antal mikroskopiska partiklar.
Du kan förstå det så här: När ett system når termisk jämvikt ändras inte parametrarna som temperatur och tryck som vi kan mäta med blotta ögat eller instrument längre, som om allt är "stille". Men i själva verket slutar de mikroskopiska partiklarna som atomer och molekyler som utgör systemet aldrig röra sig-de är fortfarande ständigt engagerade i slumpmässiga termiska rörelser, kolliderar med varandra och utbyter energi. Det är bara det att den statistiska genomsnittliga effekten av dessa rörelser förblir konstant makroskopiskt, vilket ger ett stabilt tillstånd.
Kärnegenskaper för mikroskopisk partikelrörelse i termisk jämvikt:
Oändlig- termisk rörelse: Även i termisk jämvikt fortsätter mikroskopiska partiklar att röra sig slumpmässigt i höga hastigheter. Till exempel kan medelhastigheten för gasmolekyler vid rumstemperatur nå hundratals meter per sekund. Denna rörelse stannar inte eftersom systemet är makroskopiskt statiskt.
Kontinuerligt energiutbyte: Kollisioner och energiöverföring sker ständigt mellan partiklar. I vätskor eller fasta ämnen överför molekyler energi genom vibration och rotation; i gaser homogeniseras energifördelningen genom fri rörelse och frekventa kollisioner.
Statistiska lagar bestämmer makroskopisk prestanda: Makroskopiska fysikaliska storheter (såsom temperatur och tryck) är i huvudsak statistiska medelvärden av mikroskopiska partiklars kollektiva beteende.
Essensen av dynamisk jämvikt: Termisk jämvikt kallas "dynamisk termisk jämvikt", vilket betonar dess dynamiska natur. Till exempel:
I en sluten behållare, när en vätska och dess mättade ånga samexisterar, avdunstar molekyler kontinuerligt från vätskefasen till gasfasen, medan lika många molekyler kondenserar från gasfasen tillbaka till vätskefasen. Makroskopiskt förblir massorna av de två faserna oförändrade, men den mikroskopiska processen fortsätter.
När temperaturerna i båda ändarna av en metallstav är desamma överför elektroner och gittervibrationer (fononer) fortfarande energi, men nettovärmeflödet är noll.
Existensen av fluktuationer: Även om makroskopiska storheter är stabila, på grund av partikelrörelsens slumpmässighet, kommer systemtillståndet att fluktuera något runt jämviktsvärdet; detta kallas "fluktuation". Till exempel kan densiteten eller energin i ett visst område vara något högre eller lägre under en mycket kort period, men sådana fluktuationer är vanligtvis försumbara i en makroskopisk skala.
Från icke-jämvikt till jämvikt: en evolutionär process från ett mikroskopiskt perspektiv
|
Evolutionsstadiet |
Mikroskopiskt beteende |
Makroskopisk manifestation |
|
Icke-jämviktstillstånd |
Hög-temperaturområden har hög kinetisk partikelenergi, låg-temperaturområden har låg kinetisk energi |
energiöverföringen är enkelriktad. Det finns en temperaturgradient och värme flödar spontant. |
|
Avslappningsprocess |
Partiklar fördelar gradvis energi jämnt genom kollisioner; hastighetsfördelningen närmar sig Maxwells fördelning |
Temperaturskillnaden minskar och entropin ökar. |
|
Termiskt jämviktstillstånd |
Genomsnittlig partikelkinetisk energi är lika i alla regioner; hastighetsfördelningen är stabil |
Temperaturen är enhetlig; det finns inget nettovärmeflöde; entropin är på sitt maximum. |
Denna process är oåterkallelig, i grunden på grund av statistisk överväldigande: antalet mikroskopiska konfigurationer som motsvarar hög-entropi (oordnad) tillstånd är mycket större än för låg-entropitillstånd, vilket gör systemet mer "sannolikt" att utvecklas till den mest sannolika fördelningen.
Klassisk analogi: luftmolekyler i ett klassrum
Föreställ dig ett slutet klassrum där luftmolekyler flyger runt i höga hastigheter:
Inledningsvis, om en sida värms upp, rör sig molekylerna på den sidan mer våldsamt och energi diffunderar till den kallare sidan.
Efter en tid blir temperaturen i hela klassrummet enhetlig. Molekyler flyger fortfarande runt slumpmässigt, men antalet molekyler som träffar väggen varje sekund och deras genomsnittliga kinetiska energi tenderar att förbli konstant.
Du kommer inte att se alla molekyler plötsligt springa åt sidan-även om detta inte teoretiskt sett är absolut förbjudet, sannolikheten är nästan noll.
Detta är just den mikroskopiska bilden av termisk jämvikt: makroskopisk stillhet, mikroskopisk aktivitet; individuell slumpmässighet, övergripande ordning.
