Статистический и термодинамический методы исследования

Молекулярная физика и термодинамика

 

Современная наука прочно стоит на позициях атомизма. Доказано, что все тела состоят из мельчайших частиц (микрочастиц) - атомов, молекул или ионов, находящихся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым. Характер движения микрочастиц зависит от агрегатного состояния вещества. В разреженных газах молекулы удалены друг от друга настолько, что силами взаимодействия между ними можно пренебречь. Молекулы движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. В твердых кристаллических телах расстояния между частицами настолько малы, что взаимодействие между ними не допускает их свободного перемещения. Поэтому они совершают только колебания около некоторых средних положений, называемых узлами кристаллической решетки. В жидкостях молекулы тоже колеблются около средних положений, которые, однако, с течением времени медленно перемещаются.

Описать движение системы микрочастиц с помощью законов механики практически невозможно из-за очень большого их числа. Например, 1 м³ газа при обычных условиях содержит порядка 10²⁵ молекул, жидкости и твердого тела - порядка 10²⁸ молекул.

Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются свойства макроскопических систем, состоящих из очень большого числа микрочастиц. Молекулярная физика использует, так называемый, статистический метод исследования. Он основан на законах теории вероятностей и математической статистики. Координаты и скорости частиц являются случайными величинами. Но при большом их числе поведение системы подчиняется статистическим закономерностям. Поэтому средние значения скоростей и энергий однозначно связаны с температурой.

В термодинамике применяется термодинамический метод исследования. Он основан на анализе процессов превращения энергии, происходящих в системе. Термодинамика не вводит никаких предположений о строении вещества. Она базируется на общих принципах, или началах, являющихся обобщением опытных фактов. Рассматриваемую макроскопическую систему в термодинамике называют термодинамической системой. Термодинамическую систему характеризуют физическими величинами, называемыми термодинамическими параметрами. В качестве основных используются давление, объем и температура.

Давлением р называется физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности тела по направлению нормали к этой поверхности:

,

где dS- площадь элементарно малого участка поверхности, dF_n - нормальная составляющая силы, действующей на этот участок.

Понятие температуры в термодинамике вводится через понятие термодинамического равновесия - такого состояния системы, которое не изменяется с течением времени. Предполагается, что это не связано с протеканием какого-либо процесса во внешней среде. Другими словами, равновесным называют состояние, в которое при неизменных внешних условиях в конце концов приходит система и остается в этом состоянии сколь угодно долго. Например, если два тела, в разной степени нагретые привести в соприкосновение, то одно будет нагреваться, другое охлаждаться и в итоге тела придут в состояние равновесия, т.е. температуры их станут одинаковы.

С молекулярно-кинетической точки зрения температура характеризует интенсивность теплового движения частиц системы. Для равновесной системы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул прямо пропорциональна температуре. Наиболее употребительными являются Международная стоградусная температурная шкала (шкала Цельсия), в которой температура обозначается буквой t и измеряется в °С и термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина) Т, в которой температура измеряется в Кельвинах К. Связь температур этих шкал имеет вид . Температура Т=0К ( °С) называется абсолютным нулем температуры.