Термодинамический предел - Thermodynamic limit

Термодинамический предел , или макроскопическая предела , систем в статистической механике является пределом для большого числа N частиц (например, атомов или молекул ) , где объем берется расти в пропорции с числом частиц. Термодинамический предел определяется как предел системы с большим объемом с фиксированной плотностью частиц.

В этом пределе справедлива макроскопическая термодинамика . Здесь тепловыми флуктуациями глобальных величин можно пренебречь, и все термодинамические величины, такие как давление и энергия, являются просто функциями термодинамических переменных, таких как температура и плотность. Например, для большого объема газа колебания полной внутренней энергии незначительны и ими можно пренебречь, а среднюю внутреннюю энергию можно предсказать, зная давление и температуру газа.

Заметим, что не все типы тепловых флуктуаций исчезают в термодинамическом пределе - только флуктуации системных переменных перестают иметь значение. По-прежнему будут обнаруживаться колебания (обычно в микроскопическом масштабе) некоторых физически наблюдаемых величин, таких как

Математически асимптотический анализ выполняется при рассмотрении термодинамического предела.

Причина термодинамического предела

Термодинамический предел по существу является следствием центральной предельной теоремы теории вероятностей. Внутренняя энергия газа, состоящего из N молекул, представляет собой сумму вкладов порядка N , каждый из которых приблизительно независим, поэтому центральная предельная теорема предсказывает, что отношение размера флуктуаций к среднему составляет порядка 1 / N 1. / 2 . Таким образом, для макроскопического объема с числом молекул Авогадро, возможно , пренебрежимо малы флуктуации, и поэтому термодинамика работает. В общем, почти все макроскопические объемы газов, жидкостей и твердых тел можно рассматривать как находящиеся в термодинамическом пределе.

Для небольших микроскопических систем разные статистические ансамбли ( микроканонические , канонические , большие канонические ) допускают разное поведение. Например, в каноническом ансамбле количество частиц внутри системы остается фиксированным, тогда как количество частиц может колебаться в большом каноническом ансамбле . В термодинамическом пределе эти глобальные флуктуации перестают быть важными.

Именно в термодинамическом пределе соблюдается свойство аддитивности макроскопических экстенсивных переменных . То есть энтропия двух систем или объектов, вместе взятых (в дополнение к их энергии и объему ), является суммой двух отдельных значений. В некоторых моделях статистической механики термодинамический предел существует, но зависит от граничных условий. Например, это происходит в шестивершинной модели : объемная свободная энергия различна для периодических граничных условий и для граничных условий доменной стенки.

Случаи отсутствия термодинамического предела

Термодинамический предел существует не во всех случаях. Обычно модель доводится до термодинамического предела, увеличивая объем вместе с числом частиц при сохранении постоянной плотности числа частиц . Двумя общими регуляризациями являются регуляризация ящика, когда материя ограничена геометрическим ящиком, и периодическая регуляризация, когда материя помещается на поверхность плоского тора (то есть ящика с периодическими граничными условиями). Однако следующие три примера демонстрируют случаи, когда эти подходы не приводят к термодинамическому пределу:

  • Частицы с потенциалом притяжения, который (в отличие от силы Ван-дер-Ваальса между молекулами) не поворачивается и не становится отталкивающим даже на очень коротких расстояниях: в таком случае материя имеет тенденцию слипаться, а не распределяться равномерно по всему доступному пространству. . Так обстоит дело с гравитационными системами, где материя имеет тенденцию собираться в нити, галактические сверхскопления, галактики, звездные скопления и звезды.
  • Система с ненулевой средней плотностью заряда : в этом случае нельзя использовать периодические граничные условия, потому что нет согласованного значения для электрического потока . С другой стороны, при регуляризации ящика материя имеет тенденцию накапливаться вдоль границы ящика вместо того, чтобы распределяться более или менее равномерно с лишь незначительными побочными эффектами.
  • Некоторые квантово-механические явления вблизи абсолютного нуля температуры представляют собой аномалии; например, конденсация Бозе – Эйнштейна , сверхпроводимость и сверхтекучесть .
  • Любая система, не являющаяся H-стабильной ; этот случай еще называют катастрофическим.

Ссылки