3. Фундаментальные физические концепции

Классическая механика Ньютона;

Механика сплошных сред;

Термодинамика;

Статистическая физика;

Электродинамика;

Специальная теория относительности;

Релятивистская механика;

Общая теория относительности;

Квантовая механика;

Квантовая статистика;

Квантовая теория поля.

3.1. Классическая механика Ньютона

Фундаментальное значение для всей науки имело введение Ньютоном понятия «состояние системы», первоначально сформулированное для простейшей механической системы – системы материальных точек. Во всех последующих физических системах это понятие являлось одним из ключевых. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами составляющих ее частиц (тел). Эти величины являются основными в механике. Они позволяют определить все другие механические характеристики, включая энергию. Если известны определяющие ускорения силы взаимодействия тел, то по начальным значениям координат и импульсов можно однозначно установить их значения в любой момент в будущем.

3.2. Механика сплошных сред

В механике сплошных сред конденсированные тела (газы, жидкости, кристаллы) рассматриваются как сплошные (непрерывные) среды. Их поведение однозначно описывается функциями координат (x,y,z) и времени t: плотностью ρ(x,y,z,t), давлением p(x,y,z,t) и скоростью v(x,y,z,t). Если известны их значения в начальный момент времени и граничные условия, то уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой момент в будущем. Полная система уравнений, описывающих механические процессы в газообразных, жидких и твердых телах, появилась после создания термодинамики.

3.3. Термодинамика

Термодинамика – наука о взаимопревращениях тепловой энергии. В основе термодинамики лежат являющиеся обобщением опытных данных принципы (постулаты), называемые «началами термодинамики»: общее начало (1-ый постулат) – изолированная термодинамическая система с течением времени приходит в состояние равновесия; нулевое начало (2-ой постулат) – положение о существовании температуры – интенсивного параметра, выражающего усредненную скорость движения частиц системы (мера средней кинетической энергии поступательного движения частиц); первое начало (3-ий постулат) – математическое выражение закона сохранения и превращения энергии - невозможен вечный двигатель 1-го рода; второе начало – (4-ый постулат), имеющее несколько эквивалентных формулировок (невозможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходит от менее нагретого тела к более нагретому; невозможен процесс, единственным следствием которого было бы превращение тепла в работу – невозможен вечный двигатель 2-го рода и др.); третье начало (5-ый постулат, принцип Нернста) – по мере приближения температуры к нулю энтропия системы перестает зависеть от термодинамических параметров и принимает одну и туже для всех систем постоянную величину, которую можно принять равной нулю.

Термодинамическая система характеризуется функциями состояния (определяются параметрами начального и конечного состояний системы и не зависят типа термодинамического процесса ееперехода от одного состояния к другому).

Важнейшими функциями состояния являются термодинамические потенциалы – функции, убыль которых в равновесном (обратимом) процессе, протекающем при неизменных значениях определенной пары термодинамических параметров (T, V, p, S) равна полной работе, произведенной системой, за вычетом работы против сил внешнего давления.

Выбор пар этих параметров можно осуществить 4-мя различными способами: (T и V) – свободная энергия, (T и p) – энергия Гиббса, (S и p) – энтальпия, (S и V) – внутренняя энергия.

Если известен какой-либо термодинамический потенциал, то можно определять все термодинамические свойства системы, в том числе получить ее уравнение состояния.