Offene Systeme und Boltzmann-Verteilung

Abstract

Wir verlassen jetzt das etwas akademische Gebiet der abgeschlossenen Systeme, die es streng genommen gar nicht gibt, und kommen näher an die Realität. Wir besprechen nun Systeme, die mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung stehen. Dies kann durch den Austausch von Energie, Volumen oder Teilchen geschehen, aber auch durch den Transport elektrischer Ladungen, magnetischer Momente usw. in das System hinein oder aus ihm heraus. Ein wesentlicher Unterschied zwischen abgeschlossenen und offenen Systemen besteht darin, dass in letzteren nicht mehr alle Energiezustände nach der Grundannahme mit gleicher Wahrscheinlichkeit vorkommen. Vielmehr nimmt diese Wahrscheinlichkeit hier monoton mit wachsender Energie ab. Höher energetische Zustände sind dann immer unwahrscheinlicher als solche mit niedrigerer Energie. Wir werden diese Abhängigkeit berechnen und dann auf verschiedene Probleme anwenden, die bei offenen Systemen eine Rolle spielen: die Anregung atomarer Energiezustände, die Höhenverteilung von Gasen in der Atmosphäre, die Geschwindigkeitsverteilung von Gasmolekülen usw. Dabei werden wir sehen, dass die von Boltzmann gefundene Beziehung zur Verteilung der Energie in offenen Systemen eines der nützlichsten Werkzeuge der statistischen Thermodynamik ist. Mit der Betrachtung offener Systeme entfernen wir uns von dem überwiegend aus Gedankenversuchen bestehenden, theoretisch orientierten Teil der Thermodynamik. Und wir nähern uns den praktischen Fragen der Energieumwandlung, die wir dann in Kap. 7 und 8 behandeln werden.