Термическая релаксация

Вероятности, вычисляемые по формуле Больцмана, характеризуют равновесное состояние системы в контакте с термостатом. Можно, однако, искусственно приготовить систему, находящуюся в неравновесном состоянии, где заселенности уровней энергии не соответствуют больцмановским вероятностям. В процессе энергообмена с термостатом такая система будет релаксировать к состоянию равновесия, т.е. значение ее энергии будет медленно (по сравнению с флуктуациями) дрейфовать к равновесному значению: E ® `E.

 

Неравновесная в термическом отношении ситуация возникает всякий раз, когда в термический контакт с термостатом, имеющим температуру q, приводится система, приготовленная при другой температуре q*. Если выполняется условие q* < q, то наблюдается направленный поток термической энергии из термостата в систему. При этом температура внутри системы повышается и, в конце концов, становится равной температуре термостата: q* ® q. Если выполняется условие q* > q, то наблюдается направленный поток термической энергии из системы в термостат. При этом температура внутри системы понижается и, в конце концов, становится равной температуре термостата: q* ® q.

При термическом равновесии выполняется условие q_сист = q_терм. Соответственно, при равновесии порции термической энергии одинаково часто переносятся как из термостата в систему, так и из системы в термостат, а средняя энергия системы и ее температура остаются постоянными. Другими словами, любая система, приведенная в термический контакт с термостатом, вынуждена "подстраиваться" под его температуру.

Подчеркнем, что свойства самого термостата при таких процессах термической релаксации не изменяются. Это обусловлено тем обстоятельством, что термостат всегда гораздо больше погруженной в него системы.