§ 3.8. Итоги главы 3

Обратим внимание на аналогию характеристик и формул законов динамики поступательного и вращательного движений, подчеркивающую общность их физического смысла. В частности, формулы поступательного движения превращаются в формулы вращательного движения (и, наоборот) при замене обозначений физических величин на их аналоги для другого вида движения.

Названия характеристик и законов	Вид движения
	Поступательное (м.т.)	Вращательное (а.т.т)
Работа		,A=MDj
Мощность	<N>=, N =
Кинетическая энергия		- вращение - качение
Потенциальная энергия	Eп =mgh - в поле силы тяжести Еп=-упругой деформации	-
Полная механическая энергия	Е=Ек+Еп	Е=Ек+Еп
Закон сохранения «запаса движения» замкнутой системы тел
Закон сохранения энергии замкнутой консервативной системы тел	Е=const	Е=const

Раздел 2. Молекулярная физика и термодинамика

Глава 4. Кинетическая теория

§ 4.1. Тепловое движение

1. Вещество состоит из структурных элементов – атомов и молекул. Напомним, что массы атомов, измеренные в атомных единицах⁵, указаны в таблице Менделеева. Массу молекулы вычисляют суммированием масс составляющих ее атомов.Эти массы называют относительной атомной, соответственно, относительной молекулярной массой.Даже микроскопическая с обыденной точки зрения масса вещества состоит из огромного числа частиц. Например, 1 см³воздуха при обычных условиях имеет массу немного более 1 мг и содержит более 10¹⁹ частиц. В жидкостях и в твердых телах концентрация частиц еще больше, соответственно, больше плотность вещества. Макроскопическим считают тело, состоящее из такого числа частицN, что lnN >>1⁶.

Количество вещества принято измерять в молях. Моль – количество вещества, в котором содержится определенное число структурных единиц, оно называетсячислом(или постоянной) Авогадро: N_a=6,02^.10 ²³моль^-1. Массу моля вещества называютмолярной массой, ее численное значение в граммах равно относительной молекулярной массе. Для вещества в атомарном состоянии молярная масса численно равна атомной массе. Обозначим молярную массуМ, массу одной молекулы т₀, тогда

(4.1.1)

Совокупность частиц тела называют термодинамической системой. Термодинамической системой является любое макроскопическое тело: твердое, жидкое, газообразное.

2. Частицы (атомы и молекулы) вещества непрерывно хаотически движутся. Это движение называется тепловым. Именно оно определяет внутреннее состояние каждого тела и индивидуальные свойства вещества.

Фундаментальным свойством теплового движения является его «забывчивость». Поясним на примере. Капля окрашенной жидкости, попав в прозрачную воду, со временем равномерно распределится по всему объему. Окончательное состояние смеси будет одинаковым независимо от того, в каком месте в начальный момент появилась окрашенная капля - ее начальное состояние будет «забыто». Если внешние условия не изменяются, то равномерное распределение окрашенного вещества со временем меняться не будет. Не изменяющееся со временем состояние называется стационарным. В стационарном состоянии тела через его границы может переноситься не изменяющийся со временем поток вещества, энергии, импульса, электрического заряда. Например, при протекании тока по проводнику через его поперечное сечение происходит перенос заряда, а через поверхность проводника переносится энергия в виде количества тепла. Если через границы тела нет никаких потоков, то такое тело называетсяизолированной термодинамической системой. «Забывчивость» теплового движения приводит изолированную термодинамическую систему в состояние, которое называетсятепловым или термодинамическим равновесием.В равновесном состоянии в любых участках системы характеристики одинаковы и неизменны.

Именно тепловое движение и его «забывчивость» являются причиной возникновения термодинамического равновесия.

3. Модель материального тела представляет собой систему огромного числа частиц. Каждая частица в зависимости от обстоятельств и рассматриваемого явления может быть представлена моделью классической, например, м.т. или а.т.т., или квантовой. Взаимодействие частиц друг с другом подчиняется известным законам (классическим или квантовым). Движение каждой отдельной частицы можно рассчитать, используя законы динамики. Действительно, зная начальное состояние всех частиц и законы их взаимодействия, можно для каждой из них составить и решить уравнение движения. Однако подумайте, какое громадное число уравнений надо решить и сколько для этого требуется времени, жизни не хватит! Если даже эти уравнения будут решены, то полученная из них информация окажется бесполезной: при термодинамическом равновесии состояние системы остается неизменным, тогда как состояние каждой частицы непрерывно изменяется в результате ее теплового движения. Это значит, что одному и тому же состоянию всей системы (его называют макросостоянием) соответствует множество разных состояний частиц системы (микросостояний).

Предметом изучения молекулярной физики и термодинамики являются свойства и поведение термодинамической системы как целого. Из сказанного ясно, что динамическое описание системы многих частиц неосуществимо с технической, непригодно с теоретической и бесполезно с практической точек зрения.

4. Для изучения свойств макротел (термодинамических систем) физика использует два метода: статистический и термодинамический.

Статистический методоснован на теории вероятностей и истолковывает свойства тел как суммарный, усредненный результат движения отдельных молекул. Статистический метод выявляет закономерности, которым подчиняется, казалось бы, полный беспорядок в движении отдельных молекул.

Термодинамическийметод является феноменологическим⁷. Это означает, что он рассматривает тело «снаружи», не вдаваясь в его внутреннее строение, на основе небольшого числа фундаментальных законов (они называются началами термодинамики), полученных обобщением опыта. Термодинамический метод иногда называют энергетическим методом рассмотрения тел (первое начало термодинамики – закон сохранения энергии). Этот метод широко применяется при анализе различных физических систем и явлений, изучаемых в разных разделах физики.

Статистический и термодинамический методы взаимно дополняют друг друга, образуя, по сути, единое целое.