Термодинамические и статистические методы описания многочастичных систем

Законы термодинамики

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимодополняющих друг друга методов исследования свойств макросистем, в особенности тепловых явлений в таких системах. Один из этих методов носит название термодинамического и лежит в основе термодинамики, второй называется статистическим и используется в молекулярной физике, статистической механике и др. областях физической науки, объединённых термином «статистическая физика».

Термодинамика – это физическая теория, рассматривающая процессы превращения энергии в макроскопических системах без учёта молекулярного строения вещества. Макроскопические системы – это системы, состоящие из большого числа микрочастиц, проще говоря, – это физические тела, находящиеся в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. Типичные макросистемы, с которыми приходится иметь дело на практике, содержат прядка 10²⁵ частиц (молекул, атомов и др.). Исторически термодинамика сложилась в первой половине 19 в.,

когда ещё не существовало надёжных подтверждений молекулярного строения вещества. Поэтому центральные понятия и законы термодинамики устанавливаются путём экспериментов. При рассмотрении физических явлений используются величины, регистрируемые приборами, которые не реагируют на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и т.д.). Состояние термодинамической системы определяется некоторым набором макроскопических параметров (температура, давление, удельный объём и т.д.), а изменение состояния описывается закономерностями изменения этих параметров.

Однако, оперируя только макроскопическими величинами, термодинамика позволяет решать такие сложнейшие задачи, как определение направления протекания различных физических и химических процессов, установление связи между различными физическими характеристиками системы, определение одних свойств системы через другие, прогнозирование поведения систем в различных условиях и др. В термодинамике вскрывается физический смысл многих важнейших физических величин и устанавливаются способы их измерения.

К концу 19 в. была создана и подтверждена многочисленными опытами молекулярно-кинетическая теория вещества, развившаяся далее в статистическую механику. В этой теории все процессы (в частности тепловые) в макротелах рассматриваются как результат поведения большой совокупности отдельных частиц вещества – молекул. Поскольку в любом макроскопическом теле число молекул огромно, невозможно описать поведение отдельных частиц. Однако именно большое число частиц в макроскопических телах приводит к появлению новых, статистических закономерностей в поведении таких тел. В связи с этим используется математический аппарат теории вероятностей и математической статистики. Физическое состояние системы и значения макроскопических параметров определяются средними по времени значениями кинематических и динамических характеристик частиц (скорости, энергии и др.). В частности, в теории идеального газа температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения частиц, что математически выражается в законе распределения молекул по скоростям и энергиям – распределении Максвелла. Вообще, нахождение функции распределения для каких-либо физических объектов – одна из основных задач статистической физики.

Важнейший результат статистической физики – установление статистического смысла термодинамических величин. Для расчёта различных процессов термодинамическими методами необходимо знать те или иные параметры системы, экспериментальное определение которых часто связано с большими трудностями. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества вычислять эти параметры. Таким образом, статистические и термодинамические методы оказываются тесно слитыми и используются в науке совместно.

Развитие термодинамики чрезвычайно способствовало техническому прогрессу. В начале 19 в. произошло мощное развитие теплотехники, интенсивное внедрение парового двигателя в промышленность и транспорт. Совершенствование в этих областях было достигнуто на основе теоретической термодинамики. Развивая и углубляя знания о происходящих в природе энергетических процессах, термодинамика обогатила науку новыми принципиальными подходами и методологическими установками. В частности, открытие необратимости энергетических процессов нарушило представления об их однозначном описании. Это привело к идее о статистическом, вероятностном поведении систем, состоящих из большого числа частиц, т.е. фактически коснулось такого философского вопроса естествознания как детерминизм. Приложение теории вероятности к термодинамическим системам получило достойное признание и развитие лишь в 20 в. Фундаментальность случайного и вероятностного в природе -–основополагающая идея для развития науки в конце 20 и в 21 вв.

Дата добавления: 2015-05-10