1.2.Термодинамический и статистический методы

Число атомов (или молекул) в любом теле огромно.

Например, в I м³ газа при обычных давлениях и температурах содер­жится порядка 10²⁵ молекул, а в жидких и твердых телах — порядка 1028 молекул. Если считать, что движение каждого атома (или молекулы) подчиняется законам клас­сической механики, то практически невоз­можно даже написать систему дифференци­альных уравнений движения такого множе­ства молекул !). Но, если бы такая система уравнений и была написана, о ее решении (даже с помощью самых совершенных ЭВМ) не может быть и речи.

Поэтому пове­дение отдельной молекулы (или атома) те­ла, например ее траектория, последователь­ность изменений ее местоположения и ско­рости не могут быть изучены методами классической механики — они изменяются во времени случайным образом.

Для понимания макроскопических систем, состоящих из огромного числа частиц, необходимо сформулировать новые понятия, отвечающие такому новому качеству, как необычайная сложность системы.

Эти понятия, основанные на фундаментальных законах микрофизики, позволяют:

- указать параметры, наиболее удобные для описания макроскопических систем,

- установить закономерности, действующие в макроскопических системах,

- дают относительно простые методы для количественного определения и предсказания свойств таких систем.

Физические свойства макроскопических систем, состоящих из очень большого числа частиц, изучаются двумя взаимно дополня­ющими друг друга методами: статистическим и термодинамическим

Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения изучаемых систем.

В совокупном поведении большого числа частиц, координаты и импульсы которых случайны в любой момент времени, проявляются особые статистические закономерности.

Например, в газе можно

- определить средние значения ско­ростей теплового движения молекул и их энергий, однозначно связанных с температурой газа.

- найти зависимость от температуры средней энергии колебательного движения частиц в твердом теле.

Свойства макроскопической системы частиц обусловлены не только индивидуаль­ными свойствами самих частиц, но также особенностями их совокупных движений и средними значениями динамических характеристик частиц (средние скорости, средние энергии и т.д.).

Раздел теоретической физики, в котором с помощью статистического метода изучаются физические свойства макроскопических систем, называется статистической физикой.

Связь между динамическими закономерностями, описывающими движение отдельных частиц системы, и статистическими закономерностями заключает­ся в том, что законы движения отдельных частиц после усреднения по всей системе определяют свойства системы частиц, описываемые статистическим методом.

Термодинамический метод, в котором не рассматриваются внутреннее строение изучаемых тел и характер движения отдельных их частиц.

Термодинамический метод основан на анализе условий и количественных соотношений при различных превращениях энергии, происходящих в системе.

Соотношения между разными видами энергии по­зволяют изучать физические свойства исследуемых систем при самых разнообраз­ных процессах, в которых эти системы участвуют.

Раздел теоретической физики, в котором физические свойства макроскопических систем изучаются с помощью термодинамического метода, называется термодинамикой.

Термодинамика основывается на двух, установленных опытным путем законах: первом и втором законах (началах) термо­динамики, а также на тепловой теореме Нернста, или третьем законе (начале) термодинамики. Применение этого начала необходимо при решении сравнительно небольшого числа задач.

Законы термодинамики позволяют получить много сведений о физических свойствах макроскопических систем в различных условиях. При этом не нужно пользоваться какими-либо конкрет­ными представлениями о внутреннем строении исследуемых систем и характере движе­ния тех частиц, из которых образованы тела системы. В этом состоит преимущество термодинамики. Она может применяться к изучению явлений, относящихся к различным разделам физики (например, в молекулярной физике, электродинамике и др.). Но в этом же состоит и ограниченность термодинамики. При изучении тех явлений, в которых строение вещества тел играет определяющую роль, термодинамика оказывается беспомощной.

Термодинамика также изучает различные состояния вещества.

В отличие от молекулярно - кинетической теории термодинамика

- изучает макроскопические свойства тел без учета микроскопических характеристик;

- не входя в микроскопическое рассмотрение процессов, термодинамика позволяет делать целый ряд выводов относительно их протекания;

Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория рассматривают изменение состояния вещества с разных точек зрения и взаимно дополняют друг друга.