Тепловое равновесие как макросостояния

Любой макрообъект содержит огромное число атомов, совершающих беспорядочное тепловое движение. Макросистема под неконтролируемыми тепловыми внешними воздействиями, с течением времени самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. В этом состоянии она может находиться сколько угодно долго, пока не изменятся внешние условия. Состояние теплового равновесия называют термодинамическим состоянием или макросостоянием.

Если газ, например, плазма, состоит из частиц разной массы, то переход к тепловому равновесию происходит в нескольких этапах. Сначала тепловое равновесие происходит между подвижными частицами – электронами, затем между ионами и затем в плазме устанавливается состояние полного теплового равновесия. При тепловом равновесии, все частицы обладают средней кинетической энергией, определяемой температурой внешнего окружения. Тепловое равновесие поддерживается извне неконтролируемым тепловым воздействием.

Свойства макросостояния не зависят от своей предыстории. Тепловое равновесие очень устойчиво: если его вывести из равновесия, а затем представить себе, то оно вернется в то же самое макросостояние. Однако характеристики макрообъектов из-за неконтролируемого воздействия со стороны окружения претерпевают флуктуации, т.е. величины, характеризующие макрообъект, незначительно отклоняются от среднего значения.

В качестве макрообъекта, может служить броуновская частица, с малой массой и размером. Броуновская частица, находящаяся в жидкости, испытывает неконтролируемые тепловые воздействия, и будет двигаться хаотично. Это объясняется неравномерностью воздействия на нее молекул жидкости. Кинетическая энергия макросистемы, т.е. броуновская частица, зависит только от температуры окружения, при этом она не зависит ни от своей массы, ни от размеров и ни от начальной скорости. Макросистема постепенно «забывает» свои начальные характеристики, запутывается в среде окружения и становится ее неотъемлемой частью. Аналогичный процесс происходит с любыми макросистемами.

Для характеристики макрообъектов, используют макропараметры: температура (Т), давление (р), химический потенциал (m) , внутренняя энергия (U), число частиц (N), масса (m) и объемов (V). В условиях теплового равновесия, внешнее окружение макрообъекта называют термостатом. Считается, что свойства термостата неизменны. Параметры Т, р и m относятся и к термостату, и к макрообъекту, а параметры U, N, m и V относятся только к макрообъекту.

Между объектом и термостатом в основном бывают механический, тепловой и корпускулярный контакт. Условием равновесия, при механическом контакте, это равенство давлений: р₁=р₂. Условием равновесия при тепловом контакте служит равенство температур: Т₁=Т₂.. Условием равновесия при диффузном контакте служит равенство химического потенциала: μ₁=μ₂. Величина μ характеризует энергию, переносимую одной микрочастицей через границы между макрообъектами при тепловом равновесии.

Природе небезразлично, в каком виде передается энергия макрообъекту: в форме работы или теплоты. В форме работы – это качественная энергия детерминированного движения частиц. В форме теплоты – это некачественная энергия стохастического движения частиц. Качественную энергию можно полностью переводить в работу, а некачественная энергия переводится в работу только частично.