Предмет и эмпирический базис статистической физике и термодинамики

Фундаментальные представления в статистической физике

Статистическая физика изучает состояния и процессы, происходящие с системами, состоящими из очень большого числа движущихся частиц. Значения основных параметров отдельных частиц имеют случайный, вероятный характер. Для всей системы частиц выполняется некоторое распределение значений этих параметров. Физические закономерности таких систем имеют также вероятный статистический характер. Таким образом, статистическая физика имеет дело со статистическими распределениями, характеризующими с какой вероятностью частицы системы имеют тот или иной набор значений параметров, определяющих их состояние.

Методы статистической физики применяются для описания поведения очень широкого круга явлений, происходящих внутри ядер, атомов, молекул, твердых, жидких, газообразных тел, в плазме, в звездах, лишь бы исследуемые системы состояли из большого числа частиц, слабо взаимодействующих междусобой, либо чтобы длительность и энергия взаимодействия были малы по сравнению с длительностью и энергией равновесного состояния системы.

Термодинамика считается частью статистической физики. Она изучает свой-

ства тех же макросистем, но при этом пользуется своим термодинамическим методом, т.е. на основе нескольких законов, которые являются обобщением многочисленных наблюдений за свойствами макросистем, делаются выводы о значениях параметров систем. При этом термодинамика не интересуется микроскопическим строением систем. Статистическая физика обосновывает законы термодинамики, исходя из микроскопического строения макросистем, и одновременно позволяет оценить границы применимости законов термодинамики.

Исторически основой статистической физики явилась молекулярно - кинетическая теория газов, впервые применившая статистический метод к описанию тепловых свойств систем, которые параллельно изучались термодинамикой. Поэтому можно считать, что эмпирический базис у статистической физики и термодинамики общий. Начало развитию теории теплоты положили эксперименты по созданию термометров. Термоскоп Галилея (1592г), термометры Герике, Ньютона (17в), затем термометры Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Ломоносова (18в) привели к современной термометрии и современным температурным шкалам. Прямой толчок к созданию теории теплоты дали исследования тепловых машин, обобщенные в 1824 г Карно. Понятие о тепловом равновесии системы - одно из важнейших в статистической физике и термодинамике - получило физический смысл после открытий Майером, Джоулем, Гельмгольцем

(1840 -1847 гг.) закона о количестве теплоты как переданной внутренней энергии движущихся частиц без совершения механической работы. В 1857 г Клаузиусом были созданы основы молекулярно - кинетической теории газов. Через два года, используя математическую теорию вероятности, Максвелл установил статистический закон распределения молекул газа по скоростям. В 1866 г Больцман обобщил этот закон на более общий случай идеального газа, находящегося во внешнем поле. В 1867 г Максвелл показал статистическую природу второго закона термодинамики, а в 1872 г Больцман установил связь энтропии физической системы с вероятностью ее состояния. В 1873 - 78 гг. Гиббс разработал общую теорию термодинамического равновесия, а в 1902 г вышла книга Гиббса “Элементарные принципы статистической механики”, которая завершила построение статистической физики для макрочастиц. В 1905 - 1906 гг. Эйнштейн и Смолуховский дали последовательное объяснение броуновского движения на основе молекулярно - кинетической теории развили при этом теорию флуктуаций (отклонение от средних значений). В 1907 г Планк заложил основы релятивистской термодинамики. В 1908 г Перрен осуществил экспериментальное исследование броуновского движения, окончательно доказавшие реальность существования молекул и молекулярно - кинетическую теорию. В 1924 - 1925 гг. Бозе и Эйнштейн разработали статистику для квантовых частиц с целым спином и на ее основании построили квантовую теорию идеального газа. В 1926 г Ферми и Дирак разработали статистику для квантовых частиц с полуцелым спином и на ее основании построили теорию электропроводности и теплопроводности электронного газа. В 1929 г Гайтлер и Герцберг применили статистику Бозе - Эйнштейна в разработке теории ядер атомов. В 1936 г Ландау построил статистическую теорию плазмы. Из приведенного краткого обзора развития статистической физики видно, что, возникнув как молекулярно - кинетическая теория газов, она развилась в фундаментальную физическую теорию, описывающую самые различные процессы, происходящие в ядрах, атомах, молекулах, газах, жидкостях, твердых телах, плазме, звездах. В каждом отдельном случае есть свои специфические особенности, однако основные понятия, величины, модели, законы статистической физики справедливы во всех случаях использования статистического метода.

Дата добавления: 2014-11-16