36512

Ергодична гіпотеза

Шпаргалка

Физика

3 Фазові перетворення ІІ роду. Поглянемо на класифікацію фазових перетворень І і ІІ роду не з точки зору наявності чи відсутності теплообміну а з точки зору стрибкоподібної зміни параметрів стану речовини. Фазові перетворення при яких перші похідні функції змінюються стрибкоподібно називаються фазовими перетвореннями І роду. Фазові перетворення при яких перші похідні функції залишаються неперервними а другі похідні тієї ж функції змінюються стрибкоподібно називаються фазовими перетвореннями ІІ роду.

Русский

2013-09-22

175.19 KB

5 чел.

Білет №14

1) Ергодична гіпотеза

Нехай статистичних систем утворюють статистичний ансамбль (сукупність однакових статистичних систем). Макроскопічний стан усіх систем ансамблю однаковий, хоч у окремих системах можуть реалізуватись різні мікростани. Розділимо об’єм кожної системи на елементарних комірок, в яких може поміститись лише одна частинка. Розглянему деяку величину, яка пов’язана з конкретною частинкою, наприклад, квадрат її координати. Координату вибраної частинки становить координата центра комірки системи, в якій вона міститься.

Якщо координата вибраної частинки в системі ансамблю, то середнє за ансамблем значення квадрату координати

.

Давайте накладемо умову . Це означає, що кількість систем ансамблю дуже велика. Тоді можна припустити, що кількість систем, у яких наша виділена частинка попадає у комірку із номером (тобто у комірку) досить велика (настільки, що по цій кількості можна усереднювати, як ми це показали у попередньому розділі), і становить . Тоді ми можемо згрупувати доданки, що відносяться до комірки наступним чином :

значення квадрату координати комірки;

сума значень квадрату координати по всіх комірках систем ансамблю;

сума значень квадрату координати по всіх комірках всіх систем (тобто по всьому ансамблю);

середнє значення квадрату координати по всьому ансамблю.

Але ж ми вже записали раніше

.

Тоді можна записати, що

.

Що являє собою величина ? Відношення кількості систем ансамблю комірок, у яких наша частинка знаходиться у комірці, до повної кількості систем ансамблю є імовірністю знаходження частинки у комірці статистичної системи

.

Отже, вираз для середнього значення квадрату координати набуває вигляду

.

У останній формулі у явному вигляді не присутній ансамбль. Уявлення про ансамбль присутнє у непрямій формі у імовірності. Але всі ці формули еквівалентні. Їх застосування диктується виключно міркуваннями зручності у кожному конкретному випадку.

Тепер давайте прослідкуємо за виділеною нами частинкою в одній із статистичних систем на протязі дуже довгого проміжку часу . Знайдемо середнє значення квадрату координати за цей проміжок

.

В нашій моделі координата цієї частинки змінюється стрибком при переході від однієї комірки до іншої (координата – це центр комірки). Позначимо послідовні стрибки індексом ; координата комірки, в яку переходить частинка після го стрибка; час перебування частинки у комірці. Тому можна записати таке співвідношення

.

де кількість стрибків за час , причому

.

Якщо у нас , то за такий великий проміжок часу частинка багато разів потрапляє у кожну комірку. Тоді у комірці вона буде знаходитись сумарний час , а

.

Отримана рівність

дає нам можливість перейти від незручного підсумовування по кількості стрибків за великий проміжок часу до підсумовування по кількості комірок у кожній системі

.

Оскільки

тривалість перебування частинки у комірці відносно всього часу, а це є не що інше, як імовірність перебування частинки у комірці.

Тепер подивіться : наші міркування привели нас до того, що імовірність перебування частинки у комірці має такий вигляд та

.

Незважаючи на відмінність у виразах, фізичний зміст величин і – імовірність перебування частинки у комірці. Звідси напрошується логічний висновок, що мова йде про ту ж саму величину, і

.

Це твердження називається ергодичною гіпотезою. Вперше її висловив Больцман, а Максвеллу належить її формулювання у такому вигляді :

середнє за ансамблем дорівнює середньому за проміжком часу.

Незважаючи на таку логічність твердження, ця гіпотеза не отримала доведення і досі. Вона є одним із фундаментальних припущень статистичної фізики.

На практиці виникає наступна проблема – усереднення проводиться не за нескінченно довгий, а за кінцевий проміжок часу. Тобто середнє за ансамблем і за часом будуть дещо відрізнятись. Але основний внесок за ансамблем і за часом вносять частинки, стан яких є найімовірнішим, тому заміна середнього за ансамблем на середнє за часом і навпаки є цілком виправданою.

2) Ентропія. Ентропія 1 моля ідеального газу. Ізоентропійність адіабатного процесу. Ентропійна діаграма, її еквівалентність циклу Карно.

Для оборотного некругового процесу інтеграл  дійсно не залежить від форми шляху, по якому відбувається процес, тобто є функцією стану.

Це дає нам можливість ввести нову функцію стану – ентропію, від грецької entropia, що означає перетворення, зміна.

Ентропія – це функція стану, яка характеризується тим, що різниця ентропій у двох різних точках дорівнює сумі зведених теплот, які треба витратити на перехід з початкового стану 1 у кінцевий стан 2 по оборотному шляху.

Ентропія визначається з точністю до константи. Власне, фізичний зміст має не сама ентропія, а її різниця. Отже, за означенням

.

 

Це ми навели найзагальніший вираз для ентропії. Давайте обчислимо ентропію ідеального газу.

Із першого начала термодинаміки випливає, що

.

Тоді

.

Якщо не залежить від температури, то для ідеального газу у кількості 1 моль

,

звідки

.

 

Розглянемо адіабатний процес. , звідки . Отже, , тому

, або   , .

Якщо скористатись рівнянням Роберта Майєра , або ,  , маємо

,

тобто із виразу для ентропії ідеального газу отримали рівняння адіабати. Отже, адіабатний процес – ізоентропійний.

Ми звикли представляти всі діаграми у координатах . Простий аналіз циклу Карно показує, що його форма залежить від робочого тіла. Цикл Карно задається крім двох ізотерм двома адіабатами. Хід адіабати залежить від коефіцієнта , тобто від величини, яка визначається молекулярною будовою робочого тіла. Для одноатомного газу, нагадаю, , для двоатомного – , для трьохатомного  – .

Цікавим було б побудувати цикл, форма якого не залежала б від природи робочого тіла. Такий цикл можна побудувати  у координатах (температура-ентропія), ця залежність називається ентропійною діаграмою.

Ізотерми у такому циклі перетворяться на горизонтальні прямі. А що можна сказати про адіабати ? Ми ж недаремно тільки що показали, що адіабатний процес ізоентропійний. Отже, адіабати можна представити як вертикальні прямі. Утворений цикл еквівалентний звичному циклу Карно у координатах , і ми це зараз доведемо.

Для цього визначимо к.к.д. утвореного циклу. Кількість теплоти, що передається нагрівачем робочому тілу на першій ізотермі

.

Це випливає із означення ентропії. На адіабаті теплообміну немає. Ця кількість теплоти чисельно дорівнює площі прямокутника . Аналогічно, кількість теплоти, яку передає холодильнику робоче тіло

.

Ця кількість теплоти чисельно дорівнює площі прямокутника . Тоді к.к.д.

.

Остаточно отримаємо

.

Цей вираз співпадає із отриманим у доведенні першої теореми Карно, отже цикли еквівалентні. К.к.д. геометрично є відношенням заштрихованої площі циклу до площі прямокутника .

3) Фазові перетворення ІІ роду. Співвідношення Еренфеста.

Поглянемо на класифікацію фазових перетворень (І і ІІ роду) не з точки зору наявності чи відсутності теплообміну, а з точки зору стрибкоподібної зміни параметрів стану речовини. Питомий термодинамічний потенціал Гіббса залишається неперервним при всіх фазових перетвореннях, а от його похідні можуть мати розрив неперервності.

Фазові перетворення, при яких перші похідні функції змінюються стрибкоподібно, називаються фазовими перетвореннями І роду.

Фазові перетворення, при яких перші похідні функції залишаються неперервними, а другі похідні тієї ж функції змінюються стрибкоподібно, називаються фазовими перетвореннями ІІ роду.

Розглянемо спочатку фазові переходи І роду. Питомий термодинамічний потенціал Гіббса є функцією тиску і температури . Друга пара змінних стану виражається через потенціал і його змінні

; .

Фазові перетворення І роду за означенням супроводжуються стрибком перших похідних питомого термодинамічного потенціалу Гіббса, а отже під час них стрибком змінюється або ентропія, або об’єм, або обидва параметри разом. Стрибкоподібна зміна ентропії означає виділення чи поглинання тепла у процесі, всі переходи, які ми розглядали раніше були саме такими.

Для фазових перетворень ІІ роду за означенням питомі ентропія і об’єм неперервні, розрив мають другі похідні питомого термодинамічного потенціалу Гіббса

,

а отже ізобарна питома теплоємність;

,

а отже коефіцієнт ізотермічного стискання ;

а отже коефіцієнт теплового розширення .

Стрибкоподібно змінюється хоча б один із цих параметрів, але можуть й усі.

Рівняння Клапейрона-Клаузіуса

у випадку фазових переходів II-го роду втрачає сенс.  Оскільки перші похідні питомого термодинамічного потенціалу Гіббса і неперервні, то , і приходимо до невизначеності типу . Співвідношення Клапейрона-Клаузіуса треба замінити так званими співвідношеннями Еренфеста, які є наслідком неперервності і при фазовому переході II-го роду.

Будемо вважати, що питома ентропія . Її повний диференціал

.

Скористаємось співвідношеннями

  та     .

Друге рівняння є співвідношенням Максвелла (дивись мнемонічний квадрат). Тоді

.

Запишемо це співвідношення для кожної фази

; .

Візьмемо на кривій рівноваги дві точки з координатами та . Тоді це нахил кривої рівноваги у заданній точці. При фазовому переході II-го роду ентропія неперервна, отже

.

Прирівняємо зміни

;  ,

або

.

Знак означає стрибок, зміну величини стрибком при фазовому переході II роду. А співвідношення має назву перше співвідношення Еренфеста.

Друге співвідношення Еренфеста отримується так само, тільки питому ентропію розглядають як функцію температури і питомого об’єму . Воно має вигляд

.

Третє співвідношення Еренфеста отримується також із умови неперервності ентропії, яка розглядається як функція питомого об’єму і тиску . Воно має вигляд

.

Нарешті, четверте співвідношення Еренфеста отримується із умови неперервності питомого об’єму, якщо його розглядати як функцію температури і тиску . Воно має вигляд

.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66359. Animals. Тварини 38.5 KB
  Мета: Повторити та активізувати лексичні одиниці теми, правильно їх вимовляти, вживати в реченнях та розпізнавати в тексті. Відпрацювати вимову звуків o a au і вживання конструкцій this is, that is, these are, those are, I have got, I can see. Формувати вміння читання тексту за темою уроку.
66360. Пори року 45 KB
  Мета: ознайомити учнів з новою лексикою опрацювати в говорінні та активізувати з ранішевивченою по цій темі; навчити учнів нази вати улюблену пору року за допомогою мовленнєвого зразка My fаvourite seаson is; удосконалювати навички усного мовлення й читання...
66363. ENGLISH MARATHON RACES 49.5 KB
  We have two teams, representing 7”A” and 7”B” forms. They are to pass successfully a number of tasks. Then according to their results we will define the winner, that’s the best and the smartest team. To cope with this task we have a commission of strict jury consisting of...
66364. English Learners’ Party 37 KB
  Presenter 1: Dear teachers, pupils and guests, we are happy to see you here. Welcome to our English Party. Presenter 2: By the way, do you know why the pupils go to school? P1: Maybe to study school subjects? P2: Well, only this? P1: Of course not. To meet their friends!
66366. Математична естафета 95 KB
  Мета проведення: сприяти розвитку полікультурних та комунікативних компетентностей учнів; стимулювати інтерес і зацікавленість до вивчення математики та до підтримки особистої спортивної підготовки на достатньому рівні.
66367. Кожен творець свого щастя 57.5 KB
  Мета уроку: Допомогти дітям усвідомити розуміння тогощо для кожної людини поняття щастя неповторнещо кожна людина може сама творити своє власне щасливе життя. Показати на літературних прикладах та ситуаціях із життящо щастя в кожному із насщо вміння поділитися ним з іншимиробить людину...