Stavové parametry a stavové funkce. Stav systému

Při zkoumání konkrétního fyzikálního systému zpravidla postupujeme takto:

oddělíme (alespoň myšlenkově) zkoumaný systém od všech okolních těles, určíme potřebné vlastnosti daného systému (např. hustotu, chemické složení) a udáme podmínky, v nichž je uvažovaný systém. Počet vlastností potřebných k charakteristice zkoumaného systému závisí (kromě systému samého) na tom, o jaké procesy a jevy se zajímáme a z jakého hlediska je zkoumáme. Přitom je také nutné mít na paměti, že některé z vlastností zkoumaného systému mohou být navzájem závislé.


Souhrn všech vnějších podmínek, v nichž se zkoumaný systém nachází, a souhrn jeho nezávislých vlastností, určuje stav tohoto systému.

Parametry, jimiž charakterizujeme stav systému, nazýváme stavové proměnné a funkce okamžitých hodnot stavových proměnných budeme nazývat stavové funkce. Stav makroskopického systému je určen souhrnem vlastností a stavů jednotlivých částic, z nichž je tento systém složen. Ve fenomenologické teorii zavádíme místo vlastností a stavů jednotlivých částic makroskopické veličiny, zvané vnější a vnitřní parametry.

Vnějšími parametry daného (makroskopického) systému rozumíme takové makroskopické veličiny, které jsou funkcemi pouze zobecněných souřadnic vnějších (vzhledem k danému systému) těles, s nimiž je zkoumaný systém v interakci. Z uvedené definice je zřejmé, že vnější parametry daného systému jsou různá silová pole, působící na daný systém, popř. veličiny, jejichž účinky jsou ekvivalentní působení polí. Prakticky nejčastěji se v roli vnějšího parametru vyskytuje objem daného systému. Tento případ je také možno považovat za výsledek působení jistého silového pole, poněvadž nekonečně vysoká potenciálová bariéra nedovoluje molekulám uniknout z této části prostoru; taková potenciálová bariéra má tedy úlohu ohraničujícího objemu.

Vnitřními parametry daného systému nazýváme takové makroskopické veličiny, které jsou při stejných vnějších parametrech charakteristické pouze pro daný systém. Z hlediska molekulové struktury látky můžeme vnitřní parametry definovat jako makroskopické veličiny, závislé na stavech všech molekul daného systému. Mezi vnitřní parametry patří např. hustota, chemické složení, elektrická polarizace, magnetizace, energie, tlak apod.

Vnitřní parametry jsme definovali jako makroskopické veličiny, závislé na stavech všech molekul daného systému. Určení stavu molekuly závisí na tom, zda pohyb molekuly popisujeme klasickou anebo kvantovou mechanikou. V klasické fyzice je stav molekuly určen jejími zobecněnými souřadnicemi a impulsy, popř. ještě vnějšími poli. Při kvantově mechanickém popisu takové určení stavu molekuly není možné. (Souřadnice a kanonicky sdružený impuls nemají současně ostré hodnoty.) Z toho důvodu se nám obvyklá definice vnitřních parametrů jako makroskopických veličin závislých na zobecněných souřadnicích a impulsech (popř. vnějších polích) nezdá dostatečně přesnou.


Soubor nezávislých makroskopických parametrů určuje (makroskopický) stav systému. Počet těchto parametrů závisí na vnějších podmínkách a vnitřních vlastnostech daného systému a nutno jej určit empiricky.

Dělení parametrů na vnější a vnitřní nevylučuje možnost, že mezi oběma skupinami parametrů existují vzájemně vztahy a závislosti. Z definice vnitřních parametrů je naopak zřejmé, že (alespoň některé) vnitřní parametry závisí na vnějších parametrech. Přitom je také nutné mít na paměti, že obecně ne všechny vnitřní parametry jsou nezávislé.

Jak jsme už uvedli, ve fenomenologické teorii se nezabýváme mikroskopickým (molekulárním) původem jednotlivých vlastností a procesů. Obecný metodický postup fenomenologického zkoumání makroskopického systému můžeme schematicky znázornit takto: systém daných makroskopických vlastností (látkového množství, chemického složení apod.) vložíme do jisté části prostoru a udáme podmínky, které v této části prostoru existovaly před vložením zkoumaného systému. Pod vlivem těchto podmínek se začnou měnit (alespoň některé) vlastnosti zkoumaného systému; na druhé straně přítomnost systému ovlivní např. původní hodnoty silových polí, které do té doby existovaly ve vnějším prostoru.

Pokračovat

Obsah

Úvodní rozdělení