Федун В. И. Конспект лекций по физике Молекулярная физика и термодинамика

Основы молекулярной физики и термодинамики

Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в этих телах атомов и молекул.

Лекция 13.

12. 1. Статистический и термодинамический методы исследования.

В основе исследования лежат два метода: термодинамический и статистический.

Термодинамикой называют науку о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями. Она позволяет найти общие закономерности при установлении равновесия в физических системах.

Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности и соотношения между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, имеют универсальный характер.

Термодинамический метод. (Основа термодинамики) - метод исследования систем, состоящих из большого числа частиц и оперирующий величинами, характеризующими всю систему в целом (например, объём, давление, температура), не рассматривая микроструктуры системы и проходящих в системе микропроцессов.

Термодинамический метод применим для большинства областей физики, химии и других наук. Термодинамический метод устанавливает связи между макроскопическими характеристиками системы и ничего не говорит о микроструктуре системы, механизмах явлений и т.д.

Недостаток термодинамического метода (независимость от конкретной природы вещества) восполняется статистическим методом, лежащим в основе молекулярной физики.

Молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Статистический метод (основа молекулярной физики) - метод исследования систем из большого числа частиц, оперирующий статистическими закономерностями и средними значениями физических величин, характеризующих всю совокупность частиц, например, средние значения скоростей теплового движения молекул и их энергий.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поэтому в молекулярной физике оперируют не характеристиками каждой частицы, а некоторыми средними значениями величин, взятыми по всем частицам. Например, температура тела определяется (обусловлена) скоростью беспорядочного движения молекул, но так как в любой момент времени различные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена через среднее значение скорости движения молекул.

Нельзя говорить о температуре одной молекулы.

12. 2. Основные понятия термодинамики и молекулярной физики.

12. 2. 1. Основные понятия термодинамики.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, которые обмениваются энергией как между собой, так и с внешней средой.

Внешняя среда - тела, не входящие в исследуемую термодинамическую систему.

Замкнутая термодинамическая система - система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом.

Термодинамические параметры (параметры состояния) - совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Обычно в качестве параметров состояния выбирают объём, давление и температуру.

Термодинамический процесс - любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из её термодинамическ их параметров.

Термодинамическое равновесие - неизменность состояния системы с течением времени, при этом предполагается, что внешние условия системы так же не изменяются.

В термодинамике постулируется, что каково бы ни было начальное состояние тел изолированной системы, в ней, в конце концов, установится термодинамическое равновесие.

Это утверждение называют общим началом термодинамики.

Переход системы в состояние термодинамического равновесия называется релаксацией.

Под термодинамически равновесным состоянием подразумевается такое состояние физической системы, в которое она самопроизвольно переходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от внешней среды. В состоянии термодинамического равновесия в системе прекращаются все необратимые процессы, связанные с диссипацией энергии: теплопроводность, диффузия, химические реакции и другие. Параметры системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, не меняются со временем. Строго говоря, те параметры системы, которые не фиксируют заданные условия существования системы, могут испытывать малые колебания относительно своих средних значений – флуктуации.

Существование температуры как параметра, единого для всех частей находящейся в равновесии системы, называют нулевым началом термодинамики.