Макросъстояния и микросъстояния

Имам много видео клипове, в които използвам думи като налягане и – нека да го запиша – налягане, температура и обем. Те са в съдържанието по химия и физика. Най-вече във видеата по физика, но дори и в тези по химия използвам също и неща като кинетична енергия. Ще запиша 'Е' за енергия. Използвам и понятията сила и скорост. И, както знаеш, още цял куп други понатия, които характеризират нещата, за добро или за зло. И в това видео искам да направя едно разграничение. Защото става важно, когато започнем да навлизаме в детайли, особено в термодинамиката или изучаването на преноса на топлина. Тези характеристики тук са свойствата на дадена система. Или можем да ги наричаме макросъстояния на системата. Тези също могат да бъдат макросъстояния. Например – нека поясня – когато разглеждам една система, ако имам някакъв балон като този, и има възел тук, например някаква връвчица. Това са микросъстоянията, свързани с него. Има известно налягане в балона. Спомни си, че това е сила върху някаква площ. Има някаква температура този балон. И очевидно има и някакъв обем. Но всички те ни помагат да опишем какво става вътре в този балон или как този балон се държи обичайно. Преди хората изобщо да са знаели какво представлява атомът, учените допускали, че може би съществуват атоми, но не успявали да го докажат, затова изучавали тези макросъстояния. Те можели да измерват налягането, температурата и обема. Сега знаем, че налягането се дължи на множество атоми, които се удрят в стените на балона. И да кажем, че това е газ, вътре в балона имаме газ. И ние знаем, че налягането е всъщност причинено... Мисля, че направих подобни видеоклипове в поредиците химия и физика. Направих ги през година, така че можеш да видиш дали мисленето ми се е променило. Но ние знаем, че налягането действително се дължи на ударите на тези частици, тъй като те се удрят в стените на балона. И имаме толкова много частици във всеки момент от времето, някои от тях се удрят в стената на балона и това е, което по същество държи балона надут навън, на това се дължи налягането и неговия обем. Говорихме за температурата, като по същество средната кинетична енергия на тези... което е функция на тези частици, които биха могли да бъдат или молекулите на газ, или ако е идеален газ, това може да са само атоми газ. Може би това са атоми хелий или неон, или нещо подобно. И всички тези неща описват микросъстояния. Например мога да опиша какво става с този балон. Мога да кажа: Хей, знаеш ли, има... мога просто да представя някои числа. Налягането е пет нютона на квадратен метър или някакви паскали. Но не мерните единици са важното. В това видео искам да направя диференциация между тези два начина за описание на ситуацията. Мога да кажа, че температурата е 300 келвина. Мога да кажа, че обемът е, не знам, може би 1 литър. И аз описах системата, но я описах на макрониво. Сега мога да навляза в много повече детайли, особено след като знаем, че съществуват атоми и молекули. Бих могъл да определя всеки от тях, тези молекули или атоми, в газа, който изпълва балона. И мога да кажа, че точно в този момент във времето нека времето е равно на 0, че измпулсът на атом 1 е равен на х, а неговата позиция в тримерна координатна система може да се опише с координати x, y и z. И тогава мога да кажа: атом номер 2, неговият импулс, ще използвам ρ (ро), за да означа импулса, е равен на y. И позицията му е (a, b, c). И мога да опиша всеки атом в този балон. Очевидно имаме работа с огромен брой атоми – от порядъка на 10 на двадесет и някоя степен. Това е огромен списък, който бих могъл да направя, но буквално ще описва състоянието на всеки атом в този балон. И ако направя това, аз ти представям микросъстоянията. Описвам конкретното микросъстояние на балона в този момент. Сега, когато една система – ще въведа тук понятието, защото то е важно – "термодинамично равновесие". Затова нека да го запиша. Равновесие. Учихме за равновесие от химична гледна точка. Това ни казва, че количеството от нещо, което участва в правата реакция, е равно на количеството, което участва в обратната реакция. И когато говорим за макросъстояния, термодинамичното равновесие определя тези макросъстояния. Те не се променят. Ако този балон е в равновесие, в момент 1 неговите налягане, температура и обем ще бъдат тези неща. И ако го погледнем една секунда по-късно, налягането, температурата и обемът ще бъдат същите. Системата е в равновесно състояние. Нито едно от макросъстоянията не се е променило. И след малко ще обясня, че за да бъдат определени тези макросъстояния – за да бъдат добре дефинирани – трябва да сме в равновесие. Ще говоря за това след секунда. Във втория случай, във време равно на 0, може да имаш цял набор от – аз написах 10 на двадесет и някоя степен микросъстояния на всички различни атоми в тази молекула. Но ако погледна тези газове една секунда по-късно, ще имам напълно различни микросъстояния, нали? Защото всички тези атоми са се удряли помежду си и са предали един на друг своите импулси. И всякакви луди неща може да са се случили тук за една секунда, така че ще имам напълно различни микросъстояния. И въпреки че сме в термодинамично равновесие и макросъстоянието не е променено, нашите микросъстояния са се променяли във всяка милиардна част от секундата. Те постоянно се променят. И затова, най-вече в термодинамиката, се интересуваме от тези макросъстояния. И всъщност по-голямата част на термодинамиката, или поне повечето от това, което се учи в училище по химия и физика, е открито или формулирано много преди изобщо хората да са осъзнавали какво се случва на микро ниво. Това е много важно нещо, за което да помислиш. Ще разгледаме понятия като ентропия и вътрешна енергия и други подобни неща. Можеш да опиташ да се сетиш как това е свързано с атомите. И ние ще ги свържем с атомите и молекулите. Но е полезно да знаеш, че хората, които първи са формулирали тези концепции, наистина не са знаели какво става на микро ниво. Те просто измервали всичко на макро ниво. Сега искам да се върна към идеята за равновесието. На равновесие. За да бъдат дефинирани тези макросъстояния, системата трябва да бъде в равновесие. И нека обясня какво значи това. Ако взема един цилиндър... А аз ще използвам този цилиндър често, така че е добре да свикнеш с този цилиндър. И в него има бутало. Това е просто все едно капакът на цилиндъра да се движи нагоре и надолу. Това е капакът на цилиндъра. Цилиндърът е по-широк, но нека кажем, че това е нещо като покрива на цилиндъра. И можем да го местим нагоре и надолу. И само променяме обема на цилиндъра, нали? Можех да го нарисувам и по този начин. Можех да го нарисувам като цилиндър. Можеше да го направя ето така, и тогава можеше буталото да изглежда така. Значи тук има дълбочина, която не съм нарисувал. Просто гледаме отпред цилиндъра. Във всеки един момент газът е между буталото и пода на нашия контейнер. Тук имаме куп молекули на газа, огромен брой молекули. И да кажем, че имаме камък върху буталото. Правим този експеримент в космоса, така че всичко над буталото е вакуум. Всъщност просто нека да изтрия всичко по-горе. Нека просто да изтрия тези неща, така че да виждаш. Правим това в космоса и го правим във вакуум. Нека да напиша това. Всичко това тук е вакуум, което означава, че няма нищо. Няма налягане оттук, няма частици, има само празно пространство. И ние вече знаем, изучавали сме го много пъти – вътре в този газ частиците се блъскат в стената, в пода и в буталото през цялото време. Те се удрят във всичко, нали? Знаем, че това непрекъснато се случва. Ще приложим известно налягане, за да компенсираме налягането, което създава газа. В противен случай буталото ще се измести. То просто ще се премести нагоре и целият газ ще се разшири. Нека просто сложим голям камък или голяма тежест отгоре – нека го направя в различен цвят, поставяме тежест върху буталото, която напълно компенсира силата, упражнявана от газа. И очевидно това е някаква сила върху някаква площ – площта на буталото – и можем да намерим това налягане. И това налягане ще компенсира напълно налягането на газа. Но налягането на газа, само като напомняне, е насочено във всички посоки. Налягането върху буталото е същото като налягането върху тази стена или тази стена или върху дъното на контейнера. И ако изпарим това ... добре, нека не изпаряваме целия камък. Да кажем, че просто изпаряваме половината от камъка изведнъж. Така че изведнъж нашата тежест, която е насочена надолу, или силата, насочена надолу, изведнъж става наполовина. Нека нарисувам това. Така че имам... може би е по-добре просто да изрежа и да вмъкна това направо тук. Ще го копирам и поставя. Сега ще изпаря магически половината от този камък. Ще взема инструмента си за изтриване. И просто изпарявам половината от него. И сега какво ще се случи? Буталото сега прилага половината сила. Тя не може да компенсира налягането от газа. Така че буталото ще бъде изтласкано нагоре. Направих го много бързо. И ти можеш да опиташ. Искам да кажа, че това ще важи в много случаи. Ако имаш тежест, висяща от пружина, когато премахнеш половината от теглото, тогава преминаваш много бързо в друго състояние. Какво ще се случи сега – нека да видя дали мога да използвам този инструмент. Точно когато изпаря половината тегло, газът ще се разшири, но след това тежестта ще се върне надолу, тя ще отскочи и ще слезе долу. Нека го направя отново. Ще се разшири, защото газът ще го избута, и след това ще се върне надолу. Просто ще осцилира малко нагоре-надолу. И накрая ще достигне някакво стабилно състояние. Ще изглежда точно така, както тук. И нека да попълня това. Това не трябва да е бяло, то трябва да е черно. Нека да сложа стени на контейнера. Ако чакаме достатъчно дълго, в крайна сметка ще стигнем до друго равновесно състояние, където буталото отгоре, или таванът, вече не се движи. И сега газът е напълнил този контейнер. Сега, в този момент ние сме в равновесие. Налягането на газа навсякъде е еднакво. Температурата навсякъде в газа е същата. Обемът не се променя. Той не се променя от една секунда до следващата. Затова нашите макросъстояния са ясно дефинирани. И така, ако чакаме достатъчно дълго, системата ще стигне до стабилно състояние, в което буталото спира да се движи. Когато то спре да се движи, нашият обем спира да се променя. И надяваме се, налягането започва да става еднакво в целия контейнер. И температурата става еднаква. Сега ще имаме по-голям обем и по-ниско налягане, вероятно по-ниска температура, ако предположим, че няма външна топлина, която да постъпва към системата. И тогава отново системата ще бъде добре определена. Така че можем да кажем какви са налягането, обемът и температурата. Но какво да кажем за момента, в който премахнах половината тежест? И буталото излетя и осцилира за известно време, а налягането в горната част беше по-ниско от налягането тук долу. Може би температурата на върха е по-ниска от тази температура тук долу. Цялата система беше в състояние на промяна. Това не беше равновесие. И в този момент, когато сме – нека да начертая това, знаеш, че когато системата беше в това състояние, където всичко беше бясно, точно след като изпарихме камъка. Знаеш, че имаме малка тежест тук. Всичко се мести нагоре и надолу. Може би напрежението тук е по-ниско от напрежението тук долу. Нищо нямаше възможност да остане в равновесие. В това състояние – и това е важно, особено когато започнем да говорим за неща като обратими реакции, обратими процеси и квази-статични процеси. На този етап от реакцията, когато току-що е направено това, никое от тези макросъстояния не беше добре дефинирано. Не можеше да ми кажеш какъв е обемът на тази система, защото той се променяше от секунда на секунда, от микросекунда до микросекунда, обемът се променяше. Не можеше да ми кажеш какво е налягането на системата, защото то се променяше всяка секунда. Не можеше да ми кажеш каква е температурата. Може би температурата беше нещо такова. Може би нещо друго. Всички видове луди неща се случваха. Така че когато системата е в състояние на промяна, макросъстоянията не са добре дефинирани. И наистина искам това да стане ясно. Така че просто ще направя графика. Нека направя графика на обема спрямо налягането. Ще използваме такива диаграми много често. По оста y ще нанеса налягането. На оста x ще нанеса обема. Това е първоначалното състояние, когато имахме цялата тежест отгоре на капака, върху този подвижен таван или бутало, може би имахме добре дефинирани налягане и обем. Така че това е налягането и това е обемът. Това е началната ситуация. Тя беше добре дефинирана. Това е състояние 1. Нека го маркирам точно тук. След като изпарихме половината скала и в крайна сметка чакахме достатъчно дълго, достигнахме до равновесие. Това е състояние 2 и нашите налягане, обем и температура са добре определени. И аз просто ще означа тук тези обем и налягане. Така че може би това е състояние 2. Слязохме тук. И точно тук отстрани мога да поставя температурата като допълнителна величина, но температурата е напълно определена чрез налягане и обем, особено ако имаме идеален газ. Запомни го, това е показано и в други видеоклипове, имаме PV = nRT. Това са константи. Броят на моловете не се променя. Това е универсалната газова константа, тя не се променя. Така че, ако знаеш P и V, намираш Т. Затова чертаем само тези двете. Но ще говоря за това много повече в бъдещи видеоклипове. Важното нещо тук е да разбереш, че започнах с това състояние, където налягането и обемът са добре дефинирани. Завърших в това състояние, където налягането и обемът са добре определени. Но как стигнах тук? И тъй като тази промяна, която извърших, се случи супер бързо, системата излезе от равновесие. Не знам как стигнах тук. Налягането и обемът не бяха добре дефинирани при преминаването от това състояние до това състояние. Налягането, обемът и температурата са дефинирани само ако всяка междинна стъпка също е в равновесие. И ще говорим много повече за това в следващия видеоклип. Но искам да разбереш това. Би било хубаво, ако можехме да начертаем пътя. Да кажем, че сме се преместили от някакво налягане и обем до някакви други налягане и обем, и сме се движили по ясно дефиниран път. Но не можем да кажем това. Когато отидохме от тук до там, нашите определения за налягането и обема просто изчезнаха. Не можем да дефинираме макросъстоянията в тези междинни неравновесни състояния. Но тук обаче можем да дефинираме микросъстоянията. Микросъстоянията никога не се променят. При всяка снимка във времето, бих могъл да изброя всяка частица, която е в това нещо. И можех да ти дам нейната кинетична енергия. Можех да дам нейната позиция. Можех да дам нейния импулс. И няма причина да не мога да направя това. Така че бих могъл да нарисувам една конкретна частица. Мога да кажа каква е кинетичната ѝ енергия в течение на времето или във всеки конкретен момент. И това е наистина важно. Така че микросъстоянията винаги са определени. Микросъстоянието е какво точно се случва с атома по отношение на неговата сила, скорост и импулс. Докато макросъстоянията са ясно дефинирани, само когато системата, в този случай е балонът, а в този случай е буталото в този цилиндър, макросъстоянията са ясно дефинирани когато системата е в равновесие или когато можем да кажем, че налягането е х и е постоянно в целия обем. Или обемът не се променя от момент до момент. Или температурата е еднаква навсякъде. Сега те оставям и в следващия клип ще говорим повече защо трябваше да обясня всичко това.