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

2614. Розбудова Української незалежної держави. Національно-державне відродження українського народу (1991-2007 рр.) 136.5 KB
  Розбудова Української незалежної держави. Національно-державне відродження українського народу (1991-2007 рр.) Національно-державне відродження Українського народу. Соціально-політичний та економічний розвиток українського суспільства...
2615. Стратегії експериментального дослідження 73.5 KB
  Стратегії експериментального дослідження Основні питання Пояснювальна стратегія  Стратегія повторного дослідження.  Стратегія зіставлення  Формуюча стратегія. Біографічна стратегія Якось А.Ейнштейн, після того, як видатний...
2616. Поняття про програму та концепцію психологічного дослідження 57.5 KB
  Поняття про програму та концепцію психологічного дослідження Основні питання  Програма психологічного дослідження  Концепція психологічного дослідження Існування проблеми (проблемної ситуації) є вихідним моментом будь-якого наукового дослі...
2617. Минеральные ресурсы Волгоградской области 54.5 KB
  Минеральные ресурсы Волгоградской области Волгоградская земля содержит огромные запасы ценных ископаемых. В недрах области есть нефть и природный газ, бишофит, поваренные соли, фосфориты и сильвиниты, кварц, песок, известняки и мел, глины, железная...
2618. Физика и физические закономерности 138 KB
  Кольца Ньютона. Радиусы светлых и темных колец. Частым случаем полос равной толщины являются кольца Ньютона, которые наблюдаются в схеме, изображенной на рисунке. Плосковыпуклая линза с большим радиусом кривизны R выпуклой поверхностью лежит на...
2619. Машины и аппараты пищевых производств 1.46 MB
  Приведена подробная методика лабораторных работ, инструкции по использованию лабораторного хлебопекарного оборудования, описание контрольно-измерительных приборов, используемых на кафедре машин и аппаратов химических производств по курсу «Машины и а...
2620. Введение в курс АП и ИВК 446.5 KB
  Назначение и классификация АП. Современное состояние АП и ИВК. Условия эксплуатации АП и ИВК. Основные понятия и структуры приборного комплекса. Современное состояние и перспективы развития приборных комплексов...
2621. Принципы дифференциальной психологии 53.5 KB
  Принципы дифференциальной психологии Любая область знаний, претендующая на независимый статус, строится на основе некоей системы базовых принципов, определяющих суть данного научного направления. Для дифференциальной психологии наиболее существенным...
2622. Сравнительный анализ российского и зарубежного законодательства (на примере США) 70.96 KB
  История формирования системы банкротства до 1991 г. Закон о банкротстве 1992 года. Основные положения закона. Практика применения и недостатки закона. Общие принципы реорганизации (банкротства) США. Сравнительный анализ российского американского законодательства о банкротстве.