Saikne starp termisko līdzsvaru un mikroskopisko daļiņu kustību slēpjas faktā, ka termiskais līdzsvars ir "termodinamiskais līdzsvars", kurā makroskopiskā sistēma ir statiska, kamēr mikroskopiskā sistēma atrodas nepārtrauktā kustībā. Tās makroskopiskā stabilitāte ir tieši liela skaita mikroskopisko daļiņu nejaušās termiskās kustības statistiskais vidējais rādītājs.
To var saprast šādi: kad sistēma sasniedz termisko līdzsvaru, tādi parametri kā temperatūra un spiediens, ko mēs varam izmērīt ar neapbruņotu aci vai instrumentiem, vairs nemainās, it kā viss būtu "kluss". Bet patiesībā mikroskopiskās daļiņas, piemēram, atomi un molekulas, kas veido sistēmu, nekad nepārstāj kustēties,{1}}tās joprojām ir nepārtraukti iesaistītas nejaušā termiskā kustībā, savstarpēji saduroties un apmainoties ar enerģiju. Vienkārši šo kustību statistiskais vidējais efekts makroskopiski paliek nemainīgs, tādējādi nodrošinot stabilu stāvokli.
Mikroskopisko daļiņu kustības galvenie raksturlielumi termiskā līdzsvarā:
Nebeidzama termiskā kustība: pat termiskā līdzsvara apstākļos mikroskopiskās daļiņas turpina nejauši pārvietoties lielā ātrumā. Piemēram, gāzes molekulu vidējais ātrums istabas temperatūrā var sasniegt simtiem metru sekundē. Šī kustība neapstājas, jo sistēma ir makroskopiski statiska.
Nepārtraukta enerģijas apmaiņa: starp daļiņām pastāvīgi notiek sadursmes un enerģijas pārnešana. Šķidrumos vai cietās vielās molekulas pārnes enerģiju caur vibrāciju un rotāciju; gāzēs enerģijas sadalījums tiek homogenizēts caur brīvu kustību un biežām sadursmēm.
Statistikas likumi nosaka makroskopisko veiktspēju: Makroskopiskie fizikālie lielumi (piemēram, temperatūra un spiediens) būtībā ir mikroskopisko daļiņu kolektīvās uzvedības vidējie statistiskie rādītāji.
Dinamiskā līdzsvara būtība: termisko līdzsvaru sauc par "dinamisko termisko līdzsvaru", uzsverot tā dinamisko raksturu. Piemēram:
Slēgtā traukā, kad šķidrums un tā piesātinātie tvaiki pastāv līdzās, molekulas nepārtraukti iztvaiko no šķidrās fāzes uz gāzes fāzi, bet vienāds skaits molekulu kondensējas no gāzes fāzes atpakaļ uz šķidro fāzi. Makroskopiski abu fāžu masas paliek nemainīgas, bet mikroskopiskais process turpinās.
Ja temperatūra abos metāla stieņa galos ir vienāda, elektroni un režģa vibrācijas (fononi) joprojām pārnes enerģiju, bet neto siltuma plūsma ir nulle.
Svārstību esamība: lai gan makroskopiskie lielumi ir stabili, daļiņu kustības nejaušības dēļ sistēmas stāvoklis nedaudz svārstīsies ap līdzsvara vērtību; to sauc par "svārstībām". Piemēram, blīvums vai enerģija noteiktā reģionā var būt nedaudz augstāka vai zemāka ļoti īsā laika periodā, taču makroskopiskā mērogā šādas svārstības parasti ir niecīgas.
No ne{0}}līdzsvara līdz līdzsvaram: evolūcijas process no mikroskopiskā perspektīvas
|
Evolūcijas posms |
Mikroskopiskā uzvedība |
Makroskopiskā izpausme |
|
Ne{0}}līdzsvara stāvoklis |
Augstas{0}}temperatūras reģionos ir augsta daļiņu kinētiskā enerģija, bet zemas{1}}temperatūras reģionos ir zema kinētiskā enerģija |
enerģijas pārnešana ir vienvirziena. Pastāv temperatūras gradients, un siltums plūst spontāni. |
|
Relaksācijas process |
Daļiņas sadursmju laikā pakāpeniski sadala enerģiju vienmērīgi; ātruma sadalījums tuvojas Maksvela sadalījumam |
Temperatūras starpība samazinās, un entropija palielinās. |
|
Termiskā līdzsvara stāvoklis |
Vidējā daļiņu kinētiskā enerģija ir vienāda visos reģionos; ātruma sadalījums ir stabils |
Temperatūra ir vienmērīga; nav neto siltuma plūsmas; entropija ir maksimālā. |
Šis process ir neatgriezenisks, galvenokārt statistikas pārslodzes dēļ: mikroskopisko konfigurāciju skaits, kas atbilst augstas-entropijas (traucētiem) stāvokļiem, ir daudz lielāks nekā zemas-entropijas stāvokļiem, tādējādi sistēmai ir lielāka iespēja attīstīties līdz visticamākajam sadalījumam.
Klasiskā analogija: gaisa molekulas klasē
Iedomājieties slēgtu klasi, kurā gaisa molekulas lido lielā ātrumā:
Sākotnēji, ja viena puse tiek uzkarsēta, molekulas tajā pusē pārvietojas vardarbīgāk, un enerģija izkliedējas uz vēsāko pusi.
Pēc kāda laika temperatūra visā klasē kļūst vienmērīga. Molekulas joprojām lido nejauši, bet molekulu skaits, kas katru sekundi ietriecas sienā, un to vidējā kinētiskā enerģija mēdz palikt nemainīga.
Jūs neredzēsit, ka visas molekulas pēkšņi noskrien vienā pusē{0}}lai gan teorētiski tas nav absolūti aizliegts, varbūtība ir gandrīz nulle.
Tieši tāds ir termiskā līdzsvara mikroskopiskais attēls: makroskopisks klusums, mikroskopiskā aktivitāte; individuāla nejaušība, kopējā kārtība.
