Способы описания макросистем. Статистическая физика и термодинамика.

Предмет молекулярной физики и термодинамики. В данном разделе курса общей физики, в отличии от раздела "Механика", рассматриваются закономерности, присущие большому количеству частиц. Как мы увидим в дальнейшем, количественное увеличение числа частиц в системе обуславливает качественные изменения ее свойств. Молекулярная физика и термодинамика изучают поведение макросистем.

Макросистемой называется система, состоящая из очень большого числа частиц.

С этой точки зрения к макросистемам относятся газы, жидкости, твердые тела и плазма, состоящие из атомов, молекул и ионов. 

Существует два способа описания состояния такого рода систем и происходящих в них процессов:

	статистический или молекулярно-кинетический;
	термодинамический.

Статистической физикой называется раздел физики, посвященный изучению свойств макросистем, исходя из свойств частиц, образующих эти системы, и взаимодействий между ними. Статистическая физика оперирует средними значениями, полученными на основе использования данных о движении каждой частицы. Статистическая физика изучает закономерности, присущие всей совокупности частиц с помощью вероятностных методов. Она истолковывает физические свойства макросистем, непосредственно наблюдаемые на опыте и проявляющиеся как суммарный, усредненный результат действия отдельных частиц. Статистическая физика базируется на основных положениях молекулярно кинетической теории и изучает те свойства тел, которые наблюдаются на опыте (давление, температура и т.д.)- макропараметры.

Необходимо отметить, что движение каждой частицы может быть описано законами классической механики. Однако число частиц в макросистеме велико, а направление и величина скорости каждой из них в данный момент случайны. Поэтому может показаться, что опираясь на законы механики невозможно сделать какие-либо выводы о поведении системы. 

Максвеллу и Больцману удалось прояснить ситуацию. Они обогатили молекулярно-кинетическую теорию статистической концепцией, предсказав, что достаточно знать лишь усредненные значения величин, характеризующих движение частиц. На самом деле, свойства огромного скопления молекул, образующих тело, подчиняются особым статистическим закономерностям и могут быть изучены с помощью статистического метода.

Термодинамика изучает свойства макроскопических систем и протекающие в них процессы, не вдаваясь в микроскопическую природу тел. Не рассматривая микроскопическое поведение отдельных частиц, термодинамика позволяет сделать ряд выводов относительно протекания процессов в макросистеме, оперируя некими интегральными понятиями - параметрами (давление, температура, объем) и функциями состояния (внутренняя энергия и энтропия). 

Термодинамический метод основан на анализе условий и количественных соотношений, имеющих место в системе при различных превращениях энергии. Соотношения между разными видами энергии позволяют изучать физические свойства исследуемых систем при самых разнообразных процессах, в которых они участвуют и предсказать направления изменения состояния макросистем, то есть изменения макропараметров.

В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов, называемых началами термодинамики, которые были установлены путем обобщения большого количества опытных фактов.

У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения - свойства макросистем (веществ) и происходящие в них процессы. Подходя к изучению этих свойств и процессов с различных точек зрения, статистическая физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя, по существу, единое целое.

Основные положения молекулярно-кинетической теории. Оценка массы и диаметра молекулы.

О сновные положения МКТ. Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства вещества с точки зрения молекулярно-кинетических представлений. Основоположником молекулярно-кинетической теории (МКТ) является М.В. Ломоносов (1711-1765 г.г.), который сформулировал ее основные положения и применил их к объяснению различных явлений. Основные положения МКТ в современном изложении заключаются в следующем:

	все тела в природе состоят из мельчайших частиц (атомов и молекул);
	эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении;
	между частицами вещества существуют силы притяжения и отталкивания, зависящие от расстояния между частицами.

Наиболее яркими экспериментальными подтверждениями этих положений являются:

	броуновское движение - хаотическое движение макрочастицы, происходящее в результате одновременного воздействия на нее большого количества микрочастиц);
	диффузия - направленное движение частиц из области с большей концентрации в область с меньшей концентрацией);
	стремление газов занять весь объем сосуда, в котором они находятся;
	наличие определенной формы у твердых тел, обусловленное силами притяжения между атомами и молекулами.

Молекулы разных веществ по-разному взаимодействуют между собой. Взаимодействие зависит от типа молекул и расстояния между ними. Этим объясняется наличие различных агрегатных состояний одного и того же вещества (жидкое, твердое, газообразное), зависящее от температуры.

Предметом молекулярной физики является изучение свойств вещества, которые обусловлены тем, что они являются совокупностью огромного числа движущихся молекул. Грандиозность числа молекул делает невозможным рассмотрение каждой молекулы в отдельности. Достаточно ограничиться значением средних величин, характеризующих их движение: средних скоростей, средних энергий и т.д.

Атомная и молекулярная массы. Число Авогадро. Для характеристики масс атомов и молекул применяются величины, получившие название относительной массы атома и относительной молекулярной массы вещества.

Атомной массой А химического элемента называется отношение массы атома этого элемента М_{ат. эл-та} к 1/12 массы атома углерода C⁶₁₂ (изотоп углерода с массовым числом 12).

A = M_{ат. эл-та}/m_а.е.м. где m_а.е.м. = 1,66× 10^-27 кг - атомная единица массы. 

Молекулярной массой М вещества называется отношение массы молекулы этого вещества m_o к 1/12 массы атома углерода C⁶₁₂.

M = m_o/m_а.е.м.

Количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов или молекул), равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода c612, называется молем.

Массу одного моля называют молярной массой - m [кг/моль]. Можно показать, что М =.

Число частиц, содержащееся в моле или киломоле вещества называется числом Авогадро.

N_A= 6,022×10²³ моль^-1 = 6,022×10²⁶ кмоль^-1

На основе опытов с различными газами было установлено, что при одинаковых давлении и температуре один киломоль любого газа занимает одинаковый объем -  закон Авогадро.

Значение этого объема при нормальных условиях (t = 0° С и р = 1,013 ×10⁵ Па) составляет V_A= 22,4 м³/кмоль. 

Оценка массы и диаметра молекул. Оценим параметры молекулы воды. Предположим, что в воде молекулы располагаются вплотную друг к другу. Для расчета объема одной молекулы V₀ разделим объем, занимаемый киломолем воды, на число молекул, содержащихся в нем, т.е. на число Авогадро.

V₀ = V_m / N_A; V_m = m/r m(H₂O) = 18 кг/кмоль; r = 10³ кг/м³ Þ      V_m = 0,018 м³/кмоль.

Следовательно,  V₀ = 0,018 / 6 × 10²⁶ = 3 × 10^-29 м³; Считая молекулы шариками, найдем l₀ = » 3 ×10^-10 м » 3 Å - диаметр молекулы воды.

Масса молекулы воды равна отношению молярной массы к числу молекул, содержащихся в ней. Следовательно, m_o(H₂O) = m(H₂O)/N_A =  3·10^-26 кг.

Параметры состояния термодинамической системы. Термодинамические процессы.

Состояния термодинамической системы и их характеристики. 

Термодинамической системой (ТС) называется совокупность макроскопических тел, рассматриваемых методами термодинамики, т.е. с точки зрения обмена энергией между собой, между телами системы и внешней средой. 

Примером может служить жидкость и находящийся в соприкосновении с ней пар или газ. В частности, система может состоять из одного твердого, жидкого или газообразного тела.

Термодинамическая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, объемом, плотностью и т.д. Подобные величины, характеризующие состояние системы, называются параметрами состояния.

Параметры состояния не всегда имеют определенные значения для любой области системы. Например, у тела, подогреваемого с одной стороны и охлаждаемого с другой, температура в разных точках будет различной и телу, как целому, нельзя приписать определенное значение температуры. 

Состояние, в котором хотя бы один из параметров не имеет определенного значения при неизменных внешних воздействиях, называется неравновесным.

Состояние термодинамической системы будет равновесным, если все параметры состояния имеют равные значения для любых областей системы, не изменяющиеся с течением времени, т.е. сохраняющиеся бесконечно долго при неизменных внешних воздействиях.

Термодинамические системы, которые не могут обмениваться с внешней средой веществом, называются закрытыми. Термодинамические системы, которые не могут обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом, называются изолированными.  Среди них выделяют замкнутые системы, для которых не возможет обмен энергией с внешней средой путем совершения работы и адиабатные системы, для которых невозможен теплообмен.

Если систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать от внешней среды, т.е. предоставить самой себе, то она перейдет в равновесное состояние. Такой переход называется процессом релаксации или просто релаксацией. Время, за которое первоначальное отклонение какой-либо величины от равновесного значения уменьшается в е (e = 2,718) раз, называется  временем релаксации. Для каждого параметра состояния время релаксации свое. Наибольшее из этих времен является временем релаксации системы.

Термодинамическим процессом называется переход системы из одного состояния в другое. Такой переход всегда связан с нарушением равновесия системы. Например, чтобы уменьшить объем газа, заключенного в сосуд, необходимо вдвинуть поршень. При этом газ будет сжиматься и  в первую очередь повысится давление газа вблизи поршня - равновесие будет нарушено. Нарушение равновесия будет тем значительнее, чем быстрее перемещается поршень. Если двигать поршень очень медленно, то равновесие нарушается незначительно и давление в разных точках мало отличается от равновесного значения, отвечающего данному объему газа. В пределе, при бесконечно медленном сжатии давление газа будет иметь в каждый момент времени определенное значение. Следовательно, состояние газа в этом случае все время будет равновесным и бесконечно медленный процесс окажется состоящим из последовательности равновесных состояний.