کمیت های ماکروسکوپیکی و میکروسکوپیکی مواد

مطالعه ی هر شاخه ی خاص از فیزیک با جدا کردن قسمت محدودی از ماده از محیط انجام می شود که قسمت انتخاب شده را سیستم (دستگاه) می نامند. همچنین به هر چه که در خارج آن محدوده (سیستم) قرار دارد و در نحوه ی رفتار آن نقش مستقیم دارد (یعنی می تواند با آن تبادل انرژی کند) محیط می گویند.

وقتی یک سیستم خاص انتخاب شد، قدم بعدی توصیف آن بر حسب کمیت هایی است که به رفتار سیستم مربوط می شود؛ به طور کلی در فیزیک برای بررسی هر ماده دو دیدگاه وجود دارد: دیدگاه ماکروسکوپیکی و دیدگاه میکروسکوپیکی.

بررسی های تجربی و نظری نشان داده اند که رفتار ماده را می توان بر حسب کمیت هایی چون فشار، دما، گرما و ... توضیح داد. این کمیت ها به وضعیت ماده در مقیاس بزرگ بستگی دارد و به جزئیات رفتار تک تک مولکول های ماده وابسته نیستند.

این موضوع را می توان در این مثال مشاهده کرد که دمای یک لیوان آب که در دمای اتاق به تعادل گرمایی رسیده است، ثابت می ماند در حالی که مولکول های تشکیل دهنده ی آب پیوسته به اطراف حرکت می کنند و سرعت شان تغییر می کند.

 

کمیت هایی که وضیعت ماده را در مقیاس بزرگ توصیف می کنند، کمیت های ماکروسکوپیک نامیده می شوند.

مثال:

اگر به ماده ای به جرم m و گرمای ویژه ی c مقدار Q گرما بدهیم، دمای آن با اندازه ی ∆T=Q/mc افزایش می یابد. در این مثال ما برای توضیح دادن چگونگی رفتار ماده از کمیت های ماکروسکوپیک:

دما، گرما و گرمای ویژه استفاده کرده ایم یعنی برای توصیف رفتار ماده، علم ترمودینامیک را به کار برده ایم.

از جمله کمیت هایی ماکروسکوپیکی دیگر می توان به فشار و حجم اشاره کرد.

کمیت های ماکروسکوپیک عموما دارای ویژگی های مشترکی هستند که عبارتند از:

1. 1. هیچ گونه فرض خاصی درباره ی ساختار ماده ندارند.
2. 2. تعداد آن ها کم است.
3. 3. آن را کم و بیش به طور مستقیم با حواس خود درک می کنیم.
4. 4. عموماً می توان آن را مستقیم اندازه گرفت.

به طور خلاصه توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت است از:

مشخص کردن چند ویژگی اساسی و قابل اندازه گیری آن سیستم.

در توصیف میکروسکوپیک در یک سیستم، تعداد بسیار زیادی مولکول قرار دارد که هر مولکول می تواند انرژی خاصی داشته باشد (همان طور که در مثال آب گفتیم چون مولکول ها پیوسته در حرکت هستند و سرعت شان متغیر است انرژی مولکول در حال تغیر است) بنابراین فرض می شود که حالت تعادل سیستم حالتی است که احتمال آن بیشینه است.

بنابراین توصیف میکروسکوپیکی یک سیستم شامل مشخصات زیر است:

1. 1. فرض هایی درباره ی ساختار ماده مثلا مولکول ها می شود.
2. 2. کمیت های زیادی باید مشخص شود.
3. 3. کمیت های مشخص شده توسط حواس ما درک نمی شود.
4. 4. این کمیت ها را نمی توان اندازه گرفت.

اگر چه ممکن است این طور به نظر برسد که این دو دیدگاه با هم متفاوت اند اما رابطه ای بین آن ها وجود دارد؛ وقتی هر دو دیدگاه در مورد یک سیستم به کار روند، باید نتیجه ی یکسانی حاصل شود.

آن رابطه این است که در واقع میانگین های زمانی تعداد زیادی از کمیت های میکروسکوپیکی در یک زمان معین، یکی از کمیت های ماکروسکوپیکی سیستم است.

مثلا کمیت فشار (F) عبارت است از میانگین تغییرات نیروی (F) ناشی از برخوردهای مولکولی در واحد مساحت (A) که فشار کمیت ماکروسکوپیکی و نیرو و مساحت کمیت های میکروسکوپیکی سیستم هستند.