La relació entre l'equilibri tèrmic i el moviment de les partícules microscòpiques rau en el fet que l'equilibri tèrmic és un "equilibri termodinàmic" on el sistema macroscòpic és estàtic mentre que el sistema microscòpic està en moviment continu. La seva estabilitat macroscòpica és precisament la mitjana estadística del moviment tèrmic aleatori d'un gran nombre de partícules microscòpiques.
Ho pots entendre d'aquesta manera: quan un sistema arriba a l'equilibri tèrmic, els paràmetres com la temperatura i la pressió que podem mesurar a ull nu o instruments ja no canvien, com si tot estigués "qui". Però, de fet, les partícules microscòpiques, com els àtoms i les molècules que formen el sistema, no paren de moure's mai-encara estan constantment implicades en moviments tèrmics aleatoris, xoquen entre si i intercanvien energia. És només que l'efecte mitjà estadístic d'aquests moviments es manté constant macroscòpicament, presentant així un estat estable.
Característiques bàsiques del moviment de partícules microscòpiques en equilibri tèrmic:
Moviment tèrmic{0}}que no s'acaba mai: fins i tot en equilibri tèrmic, les partícules microscòpiques continuen movent-se aleatòriament a altes velocitats. Per exemple, la velocitat mitjana de les molècules de gas a temperatura ambient pot arribar a centenars de metres per segon. Aquest moviment no s'atura perquè el sistema és macroscòpicament estàtic.
Intercanvi d'energia continu: es produeixen col·lisions i transferència d'energia constantment entre partícules. En líquids o sòlids, les molècules transfereixen energia mitjançant la vibració i la rotació; en els gasos, la distribució d'energia s'homogeneïtza mitjançant el moviment lliure i els xocs freqüents.
Les lleis estadístiques determinen el rendiment macroscòpic: les magnituds físiques macroscòpiques (com la temperatura i la pressió) són essencialment mitjanes estadístiques del comportament col·lectiu de les partícules microscòpiques.
L'essència de l'equilibri dinàmic: l'equilibri tèrmic s'anomena "equilibri tèrmic dinàmic", emfatitzant la seva naturalesa dinàmica. Per exemple:
En un recipient tancat, quan un líquid i el seu vapor saturat coexisteixen, les molècules s'evaporen contínuament de la fase líquida a la fase gasosa, mentre que un nombre igual de molècules es condense de la fase gasosa a la fase líquida. Macroscòpicament, les masses de les dues fases romanen sense canvis, però el procés microscòpic continua.
Quan les temperatures als dos extrems d'una vareta metàl·lica són les mateixes, els electrons i les vibracions de la xarxa (fonons) encara transfereixen energia, però el flux de calor net és zero.
L'existència de fluctuacions: encara que les magnituds macroscòpiques són estables, a causa de l'aleatorietat del moviment de les partícules, l'estat del sistema fluctuarà lleugerament al voltant del valor d'equilibri; això s'anomena "fluctuació". Per exemple, la densitat o l'energia en una regió determinada pot ser lleugerament més alta o menor durant un període molt curt, però aquestes fluctuacions solen ser insignificants a escala macroscòpica.
Del no-equilibri a l'equilibri: un procés evolutiu des d'una perspectiva microscòpica
|
Etapa evolutiva |
Comportament microscòpic |
Manifestació macroscòpica |
|
Estat sense -equilibri |
Les regions d'-alta temperatura tenen una energia cinètica de partícules alta, les regions de-baixa temperatura tenen una energia cinètica de baixa |
la transferència d'energia és unidireccional. Hi ha un gradient de temperatura i la calor flueix espontàniament. |
|
Procés de relaxació |
Les partícules distribueixen l'energia de manera uniforme a través de col·lisions; la distribució de velocitat s'aproxima a la distribució de Maxwell |
La diferència de temperatura disminueix i augmenta l'entropia. |
|
Estat d'equilibri tèrmic |
L'energia cinètica mitjana de les partícules és igual en totes les regions; la distribució de velocitats és estable |
La temperatura és uniforme; no hi ha flux de calor net; l'entropia està al màxim. |
Aquest procés és irreversible, fonamentalment a causa de l'aclaparament estadístic: el nombre de configuracions microscòpiques corresponents a estats d'alta-entropia (desordenats) és molt més gran que el d'estats de baixa-entropia, cosa que fa que el sistema evolucioni més "probablement" cap a la distribució més probable.
Analogia clàssica: molècules d'aire a l'aula
Imagineu una aula tancada on les molècules d'aire volen a gran velocitat:
Inicialment, si un costat s'escalfa, les molècules d'aquest costat es mouen més violentament i l'energia es difon cap al costat més fresc.
Passat un període de temps, la temperatura a tota l'aula es torna uniforme. Les molècules encara volen aleatòriament, però el nombre de molècules que xoquen contra la paret cada segon i la seva energia cinètica mitjana tendeixen a romandre constants.
No veuràs que totes les molècules s'esgoten de sobte cap a un costat-tot i que teòricament això no està totalment prohibit, la probabilitat és gairebé nul·la.
Aquesta és precisament la imatge microscòpica de l'equilibri tèrmic: quietud macroscòpica, activitat microscòpica; aleatorietat individual, ordre general.
