Microstato (fisica)
In meccanica statistica, un microstato descrive una specifica e dettagliata configurazione di un sistema, che il sistema attraversa durante le sue fluttuazioni termiche.
Invece il macrostato di un sistema si riferisce alle proprietà macroscopiche di tale sistema come la temperatura e la pressione. In meccanica statistica, un macrostato è caratterizzato da una distribuzione di probabilità su un certo insieme di microstati.
Questa distribuzione descrive la probabilità di trovare il sistema in un certo microstato quando è soggetto a fluttuazioni termiche.
Ma adesso esaminiamo il caso dei grandi sistemi: anche se questi sistemi potrebbero teoricamente fluttuare tra molti microstati diversi, osservando, queste fluttuazioni diventano sempre meno probabili mano a mano che il sistema si fa più grande. Questo porta al limite termodinamico. In questo limite, i microstati visitati da un sistema durante le sue fluttuazioni hanno tutti le stesse proprietà macroscopiche.
Definizioni microscopiche di concetti termodinamici
Le definizioni di questa sezione collegano le proprietà termodinamiche alla sua distribuzione sui suoi insiemi di microstati. Nota che tutte le definizioni ed espressioni di questa sezione sono valide anche molto lontano dall'equilibrio termodinamico.
In questo articolo considereremo un sistema che è distribuito su un insieme di N microstati. è la probabilità associata al microstato i, e è la sua energia. Qui i microstati formano un insieme discreto, il che significa che stiamo lavorando in meccanica statistica quantistica, e è un livello energetico del sistema.
Energia interna
L'energia interna è la media dell'energia del sistema
Questa definizione è la traduzione del primo principio della termodinamica.
Entropia
L'entropia assoluta dipende esclusivamente dalla probabilità dei microstati. La sua definizione è la seguente:
- ,
dove è la costante di Boltzmann
Il comportamento dell'entropia è in accordo col secondo principio della termodinamica. Anche il terzo principio della termodinamica riguarda questa definizione, dal momento che un'entropia assoluta di 0 significa che tutti i macrostati del sistema si riducono ad un singolo microstato.
Calore e lavoro
Il lavoro è l'energia trasferita associata all'effetto di un'azione macroscopica e ordinata sul sistema. Non è possibile causare un salto nel livello energetico di un componente microscopico di un sistema come effetto diretto del lavoro, ma è possibile cambiare l'energia del livello energetico del sistema.
D'altra parte il calore è l'energia trasferita associata con un'azione microscopica e disordinata sul sistema, associato a salti nei livelli energetici per i componenti microscopici del sistema.
Le definizioni microscopiche di calore e lavoro sono le seguenti:
così che
Attenzione: le due definizioni precedenti di calore e lavoro sono tra le poche espressioni dell meccanica statistica dove la somma corrispondente al caso quantistico non può essere convertita in un integrale nel limite classico di un continuum di microstati. Il motivo è che i microstati classici spesso non sono definiti in relazione ad un preciso microstato quantistico associato, il che significa che quando il lavoro cambia l'energia associata al livello energetico del sistema, l'energia dei microstati classici non segue questo cambiamento.
