Статистический и термодинамический методы

Макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул, изучают5:

• Молекулярная физика – раздел физики, в которомизучаются строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. В зависимости от молекулярного строения тел, сил межмолекулярного взаимодействия и характера теплового движения частиц, молекулярная физика изучает особенности процессов фазового равновесия и фазовых переходов веществ — кристаллизацию и плавление, испарение и конденсацию и др., явления переноса — диффузию, теплопроводность, внутреннее трение, а также поверхностные явления на границах раздела различных фаз.

• Термодинамика – раздел физики, в котором изучаются общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями, соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами — давление, температура, объём, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Эти разделы физики взаимно дополняют друг друга, отличаясь разными методами исследования.

Статистический метод – метод исследования систем из большого числа частиц, оперирующий статистическими закономерностями и средними значениями физических величин, характеризующих всю совокупность частиц. Метод основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном счете определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью хаотического движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Таким образом, макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

Термодинамический метод – метод исследования систем из большого числа частиц, оперирующий на основе законов превращения энергии величинами, характеризующими систему в целом (например, давление, объем, температура), не рассматривая ее микроструктуры и совершающихся в системе микропроцессов. При описании тепловых процессов они характеризуются макроскопическими величинами, регистрируемыми приборами, которые не влияют на поведение микрочастиц системы. Так, например, давление газа определяется манометром, его температура — термометром, влажность — гигрометром и т.д. Любая термодинамическая система описывается с помощью соответствующих параметров.

Термодинамическая система – совокупность большого количества частиц (атомов или молекул), способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики. Например, газ в сосуде или вода и пар в сосуде).

Термодинамические параметры (параметры состояния) – совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Обычно в качестве параметров состояния выбирают температуру, давление и объем.

Термодинамический процесс – любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров.

Термодинамическое равновесие – система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой системы при этом не изменяются).

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и определяющая направление теплообмена между телами. Например, все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.