Лекция1

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

1. Понятие об молекулярно - кинетической теории

1.1.Термодинамический и статистический методы

Молекулярная физика изучает строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений - любое тело состоит из большого числа хаотически движущихся молекул, которые не имеют преимущественного направления. Интенсивность этого движения зависит от температуры вещества.

Доказательством хаотического движения молекул является броуновское движение.

Молекулярно - кинетическая теория объясняет свойства тел, которые наблюдаются на опыте. Она использует статистический метод, рассматривая не движение отдельных молекул, а лишь средние величины, характеризующие движение всей совокупности частиц. Отсюда и другое ее название – статистическая физика.

Кинетическая теория газов является частью классической статистической физики и основана на следующих основных ее положениях:

1. в системе частиц выполняются законы сохранения импульса, момента импульса, энергии, электрического заряда и числа частиц (для закрытых систем, не претерпевающих химических реакций и других превращений);

2. все частицы системы считаются «мечеными», т.е. предполагается возможность отличать друг от друга тождественные частицы (например, молекулы одного и того же вещества);

3. все физические процессы в системе протекают в пространстве и времени непрерывно (например, под влиянием внешних воздействий энергия частицы меняется на любую величину, т.е. непрерывно);

4. каждая частица системы может иметь совершенно произвольные значения координат (в пределах объема системы) и компонент скорости совершенно независимо от того, какие значения этих характеристик у других частиц системы.

Для понимания макроскопических систем, состоящих из огромного числа частиц, необходимо сформулировать новые понятия, отвечающие такому новому качеству, как необычайная сложность системы. Эти понятия, основанные на фундаментальных законах микрофизики, позволяют указать параметры, наиболее удобные для описания макроскопических систем, установить закономерности, действующие в макроскопических системах, и дают относительно простые методы для количественного определения и предсказания свойств таких систем.

Статистическая физика при рассмотрении той или иной материальной системы изучает весьма общую ситуацию. Казалось бы, по данным о скоростях и координатах частиц можно оценить среднее значение (свойства) системы, решая уравнения механики для N независимых частиц системы. Однако такой чисто механический подход является неперспективным, потому что учет начальных условий для каждой частицы не представляется возможным, т.к. число частиц очень велико (только в одном моле вещества их N_A=частиц). В общем же случае произвольной системыА, когда взаимодействие между частицами носит сложный характер, такой механический подход вообще трудно реализовать (много частиц и много уравнений, неизвестны начальные условия).

Состояние же термодинамической системы А в состоянии равновесия характеризуется набором постоянных параметров, которые совсем не зависят от начального набора координат частиц системы. Это связано с тем, что при дальнейшем росте числа частиц в системе А появляются качественно новые закономерности, не сводящиеся к механическим. Они называются статистическими и присущи всем системам с числом частиц N>>1. Исследование статистических закономерностей приводит к возможности расчета макросвойств системы А. Этот расчет опирается на свойства частиц, из которых состоит система А, на особенности их движения и взаимодействия между собой и окружающими телами. На основе этих молекулярно-кинетических представлений определяются макросвойства системы.

Термодинамика также изучает различные состояния вещества. В отличие от молекулярно - кинетической теории, термодинамика изучает макроскопические свойства тел без учета микроскопических характеристик. Не входя в микроскопическое рассмотрение процессов, термодинамика позволяет делать целый ряд выводов относительно их протекания.

Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория рассматривают изменение состояния вещества с разных точек зрения и взаимно дополняют друг друга. Состояние некоторой массы газа определяется некоторыми параметрами, называемыми параметрами состояния. Такими параметрами являются давление p, объем V и температура T , которые функционально связаны, и изменение одного из них приводит к изменению других. Соотношение, которое определяет связь между параметрами некоторого тела, называется уравнением состояния идеального газа.

Все макросвойства системы можно разделить на два класса :

1. Экстенсивные параметры, которые обладают свойствами аддитивности (масса, энергия, объем и т.д. - энергия системы равна сумме энергий всех ее частиц).

2. Интенсивные параметры. Эти параметры не обладают свойствами аддитивности (температура, концентрация и др.) и имеют тенденцию к выравниванию, когда изолированная система находится в равновесии.