Внутренние и внешние степени свободы системы

Установим далее физический смысл величины l, которая входит в правую часть уравнения (31), принадлежащую окружающей среде.

Допустим, что данная система, определяемая уравнением (27), внутренне восприимчива к l конкретным веществам, она способна приобретать и терять через контрольную поверхность эти вещества. Тогда такую систему можно определить как обла­дающую l внутренними степенями свободы. Следовательно, под внутренними степенями свободы мы будем понимать располага­емые, потенциально заложенные в системе возможности вза­имодействий с окружающей средой.

Однако реализация имеющихся возможностей зависит не только от свойств системы, но не в меньшей мере и от свойств окружающей среды. Ведь последняя на границе с системой - на контрольной поверхности - располагает вполне определен­ными своими внутренними степенями свободы. В общем слу­чае количество этих степеней, внешних по отношению к системе, равно l_е, причем не все степени из числа l _е обязательно совпада­ют со степенями из числа l. Очевидно, что взаимодействие меж­ду системой и окружающей средой возможно только по сопря­женным степеням свободы, когда система и среда одновременно способны воспринимать и терять соответствующие вещества.

Если число сопряженных между собой степеней свободы системы и среды обозначить через n, то должно соблюдаться требование [18, с.61; 21, с.47]

n £ 1 (45)

Величина n характеризует фактически реализуемые взаимодей­ствия между системой и окружающей средой, то есть опреде­ляет внешние степени свободы системы, зависящие от свойств окружающей среды.

Отсутствие какой-либо конкретной степени свободы - вну­тренней или внешней - говорит о внутренней или внешней изо­ляции системы по отношению к соответствующему веществу. Например, жидкости и твердые тела практически несжимаемы, то есть внутренне изолированы по отношению к объему, поэ­тому они не могут быть использованы в качестве рабочего тела в тепловом двигателе; фарфор и стекло внутренне изолированы по отношению к электрическому заряду, значит, они не могут служить проводниками электричества. Аналогично внешняя изоляция системы по отношению к объему может быть достиг­нута путем применения жесткой окружающей среды (обо­лочки), как в калориметрической бомбе; внешняя электрическая изоляция обеспечивается с помощью оболочки из фарфора, стекла и т.п.

Теперь должно быть ясно, что уравнение (31) выведено при условии, когда l = l_e = n. Это соответствует крайнему частному случаю полного совпадения всех внутренних и внешних степе­ней свободы системы. В противоположном крайнем случае, когда все степени свободы не совпадают между собой, величина n = 0, при этом система полностью внешне изолирована, взаимо­действие между нею и окружающей средой невозможно.

Из сказанного следует, что в уравнение (31) вместо вели­чины l правильно подставлять величину n, которая является характеристикой не только системы, но и окружающей среды и однозначно определяет условия взаимодействия системы с последней [ТРП, стр.102-103].