55

Молекулярная физика и термодинамика

Статистический и термодинамический методы

По современным представлениям любое макроскопическое тело или система состоят из колоссального числа микрочастиц (атомов, молекул или ионов), находящихся в непрерывном движении. Например, в 1 см ³  газа при нормальных условиях содержится около 3×10¹⁹  молекул, а в жидких и твердых телах - порядка 10²² молекул. Для описания состояния физических свойств таких макросистем потребуется записать очень большое число уравнений классической или квантовой физики, решить и проанализировать их, что технически представляет неосуществимую задачу. Кроме того, существуют физические причины нерациональности данного подхода. Даже если бы нам удалось описать движение каждой частицы, это не позволило бы получить информацию о поведении тела. Подход к решению таких задач должен быть иным.

Физические свойства макроскопических систем изучаются двумя взаимно дополняющими друг друга методами: статистическим и термодинамическим.

Статистический метод основан на вероятностном подходе к изучению закономерностей, возникающих в макроскопических системах микрочастиц. При достаточно большом числе частиц в системе начинают проявляться новые закономерности, называемые статистическими. Свойства системы в этом случае обусловлены не столько индивидуальными свойствами микрочастиц, сколько характером взаимодействий и средними значениями их динамических характеристик (микропараметров): средней скоростью, средней энергией и т.д. В стационарных условиях такие микропараметры, усредненные по большому числу частиц, не изменяются и могут служить объективными характеристиками состояния системы. Раздел физики, в котором с помощью статистического метода изучаются свойства макроскопических систем, называется статистической физикой. Основной задачей статистической физики является установление законов поведения вещества на основе знаний законов поведения микрочастиц (молекул, атомов, ионов, квантов и т.д.), из которых оно состоит. Статистическая физика основана на вероятностных представлениях о свойствах микрочастиц и использовании различного рода статистических распределений, важнейшими из которых являются распределения Гиббса и Больцмана.

Термодинамический метод, в котором не рассматривается внутреннее строение изучаемых тел и характер движения микрочастиц, основан на изучении различных физических явлений с помощью макропараметров и функций состояния и является по своей сути феноменологическим методом. Раздел физики, в котором макросистемы изучаются с помощью термодинамического метода, называется термодинамикой. Основная задача термодинамики, таким образом, заключается в установлении связей между физическими величинами, характеризующими состояние и изменения состояния термодинамической системы. Термодинамика основывается на двух опытных законах, а также на тепловой теореме Нернста или третьем законе термодинамики. Наряду с простотой и наглядностью термодинамический метод обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что остается нераскрытым внутренний механизм явлений. В термодинамике, как правило, бессмысленны вопросы “почему”? Например, если мы устанавливаем термодинамическим методом, что при растяжении медный стержень охлаждается, а резиновый - нагревается, то физические механизмы этого остаются неизвестными. В то же время, статистический метод позволяет решать эту и многие другие неразрешимые в рамках термодинамического метода задачи: вывод уравнений состояния макроскопических систем, описание явлений переноса, некоторые вопросы излучения. Наконец, статистический метод дает строгое обоснование законов термодинамики и позволяет установить границы их применимости. Таким образом, термодинамический и статистический методы тесно взаимосвязаны, и поэтому имеет смысл говорить о единой статистической термодинамике. Следует отметить, однако, что сделанные в дальнейшем выводы будут справедливы только для систем, содержащих достаточно большое количество частиц.