Статистический и термодинамический методы

Изучая механику, мы с вами не затрагивали вопросов, как устроены различные тела, какие процессы в них протекают, чем обусловлены превращения этих тел, которые мы наблюдаем на опыте. Все эти вопросы рассматриваются в разделах физики, которые называются термодинамика и молекулярная физика. Молекулярная физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга, отличаясь различными методами исследования.

Молекулярная физика изучает строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений. В основе этого подхода лежат три положения, которые сформулированы как результат обобщения многочисленных опытных данных. Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) сводятся к следующему:

1 Все тела состоят из атомов или молекул.

2 Атомы (молекулы) хаотически движутся. (Интенсивность этого движения зависит от температуры, поэтому хаотическое движение атомов (молекул) называют тепловым.)

3 Атомы (молекулы) взаимодействуют между собой с силами притяжения и отталкивания.

Основная задача молекулярной физики – объяснение наблюдаемых на опыте свойств макроскопических тел как суммарный результат действия большого количества молекул. Поскольку молекул очень много, то МКТ использует статистический метод. В рамках этого метода описание систем, состоящих из большого числа частиц, проводится с помощью усредненных по всему ансамблю характеристик, таких как средняя скорость движения, средняя энергия и т.д. Необходимость использования усредненных величин обусловлена не только тем, что невозможно проследить за движением отдельной молекулы, но и тем, что большая совокупность молекул обнаруживает новые свойства, отсутствующие у одной отдельно взятой молекулы. Например, не имеет смысла говорить о давлении, оказываемом одной молекулой на стенки сосуда. В то же время большое количество молекул, образующих газ, характеризуется давлением, которое оказывает этот газ на стенки сосуда. Можно сказать, что здесь мы наблюдаем проявление известного философского закона о переходе количества в новое качество.

Термодинамика изучает общие свойства макроскопических тел, находящихся в состоянии равновесия, и процессы перехода между этими состояниями безотносительно к внутреннему микроскопическому строению вещества. Благодаря этому область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории. Термодинамика основана на двух опытных законах, которые называются началами термодинамики.

Совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и окружающей средой, называют термодинамической системой. Описание свойств макроскопических тел в термодинамике ведется с помощью термодинамических параметров, таких как давление P, объём V, температура T и т.д. Термодинамические параметры состояния характеризуют систему в положении равновесия, когда с течением времени эти параметры не изменяются. Такое состояние системы называется равновесным. Равновесное состояние системы можно изобразить точкой на графике, по осям которого отложены параметры системы, например давление и объём. Если система не находится в равновесии, то какой-либо из термодинамических параметров не определен для всей системы. Например, если быстро сжать газ в цилиндре с поршнем, то в разных точках цилиндра давление будет разным – большим вблизи поршня и меньшим у противоположной стенки цилиндра. Такое состояние уже нельзя изобразить точкой на диаграмме. Однако с течением времени система вернется в положение равновесия, и её снова можно будет описывать параметрами состояния. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией.

Всякий процесс, т.е. переход системы из одного равновесного состояния в другое, связан с нарушением равновесия системы. Однако если переход между состояниями делать очень медленно, то можно считать, что в каждый момент времени система находится в равновесном состоянии. Такой процесс называется равновесным или квазистатическим. Равновесный процесс можно провести в обратном направлении, причём система будет проходить через те же равновесные состояния. Поэтому равновесные процессы называются обратимыми.

Поиск по сайту: