II. Молекулярная физика и термодинамика.

1.

Атомы и молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют разнообразные вещества. Если число частиц невелико (десятки, сотни), то мы имеем микросистему. Однако большинство физических тел состоит из огромного числа частиц (миллионы, миллиарды и более), в физике подобные системы называют макросистемами. Физические величины, характеризующие поведение микросистем, называются микропараметрами, а макросистем — макропараметрами. Макросистемы можно описывать на языке или классических, или квантовых представлений, однако при этом возникают трудности двух типов.

Во-первых, в моле любого вещества содержится 6∙1023 частиц (число Авогадро), которое служит своеобразным «эталоном» больших чисел в мире макросистем. Следовательно, механические состояния частиц, содержащихся в одном моле вещества, характеризуются 3·(6∙1023) координатами и 3·(6∙1023) проекциями скоростей. Даже если пытаться с помощью законов Ньютона и современной вычислительной техники решать 36∙1023 уравнений, то для этого понадобится столько же значений координат и скоростей всех частиц в начальный момент времени, а взять эти данные «неоткуда».

Во-вторых, даже если рассчитать все координаты и импульсы частиц в какой-то момент времени, то эта работа окажется «бесполезной», поскольку из полученных данных еще необходимо вывести те параметры системы, которые можно измерить на практике.

Таким образом, перечисленные трудности делают невозможным описание макроскопических систем с помощью уравнений механики.

С другой стороны, именно большое число частиц системы приводит к появлению у нее новых свойств, которыми каждая из них в отдельности не обладает. Например, давление газа есть результат непрерывного совокупного действия всех молекул на стенки сосуда, хотя каждая молекула сталкивается со стенками сосуда лишь эпизодически. Таким образом, у систем с большим числом частиц появляются «новые» параметры (давление, занимаемый объем и др.), характеризующие их состояние и называемые параметрами состояния.

Исторически сложились два подхода к описанию макроскопических свойств физических систем — термодинамический и статистический.

Термодинамический подход (термодинамика) не опирается на представлении об атомно-молекулярной структуре вещества. Это теория, основанная на небольшом числе экспериментально установленных законов, таких, например, как закон сохранения энергии. Таким образом, параметры состояния термодинамической системы и связи между ними устанавливаются на основе физического эксперимента. Вследствие этого термодинамический подход отличается общностью и простотой, дает возможность решать многие задачи без привлечения сведений о свойствах атомов и молекул.

Статистический подход (статистическая физика) основан на представлении об атомно-молекулярном строении вещества. Задачей статистической физики является установление связей между микропараметрами системы (координатами частиц, их скоростями, массами, зарядами и др.) и экспериментально измеряемыми макропараметрами (объемом, давлением, температурой и др.).

Поскольку термодинамика и статистическая физика использовали различные методы исследования макросистем, то достаточно долгое время они развивались независимо друг от друга. Однако после того как обе теории были подтверждены экспериментально, отпала необходимость их разграничения, и в настоящее время термодинамика и статистическая физика представляют единый раздел физики.

Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория XIX века, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений: