макроскопічні параметри

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Статистичний і термодинамічний методи

За сучасними уявленнями будь макроскопическое тіло або система складаються з колосального числа мікрочастинок (атомів, молекул або іонів), що знаходяться в безперервному русі. Наприклад, в 1 см 3 газу при нормальних умовах міститься близько 3 × 10 19 молекул, а в рідких і твердих тілах - близько 10 22 молекул. Для опису стану фізичних властивостей таких макросістем потрібно записати дуже велике число рівнянь класичної або квантової фізики, вирішити і проаналізувати їх, що технічно представляє нездійсненну задачу. Крім того, існують фізичні причини нераціональність даного підходу. Навіть якби нам вдалося описати рух кожної частинки, це не дозволило б отримати інформацію про поведінку тіла. Підхід до вирішення таких завдань повинен бути іншим.

Фізичні властивості макроскопічних систем вивчаються двома взаємно доповнюють один одного методами: статистичним та термодинамічних.

Статистичний метод заснований на імовірнісному підході до вивчення закономірностей, що виникають в макроскопічних системах мікрочастинок. При досить великому числі часток в системі починають проявлятися нові закономірності, звані статистичними. Властивості системи в цьому випадку обумовлені не стільки індивідуальними властивостями мікрочастинок, скільки характером взаємодій і середніми значеннями їх динамічних характеристик (мікропараметров): середньою швидкістю, середньої енергією і т.д. У стаціонарних умовах такі мікропараметри, усереднені по великому числу частинок, не змінюються і можуть служити об'єктивними характеристиками стану системи. Розділ фізики, в якому за допомогою статистичного методу вивчаються властивості макроскопічних систем, називається статистичною фізикою. Основним завданням статистичної фізики є встановлення законів поведінки речовини на основі знань законів поведінки мікрочастинок (молекул, атомів, іонів, квантів і т.д.), з яких воно складається. Статистична фізика заснована на імовірнісних уявленнях про властивості мікрочастинок і використанні різного роду статистичних розподілів, найважливішими з яких є розподілу Гіббса і Больцмана.

Термодинамічний метод. в якому не розглядається внутрішню будову досліджуваних тіл і характер руху мікрочастинок, заснований на вивченні різних фізичних явищ за допомогою макропараметрів і функцій стану і є по своїй суті феноменологическим методом. Розділ фізики, в якому макросистеми вивчаються за допомогою термодинамічної методу, називається термодинамікою. Основне завдання термодинаміки, таким чином, полягає у встановленні зв'язків між фізичними величинами, що характеризують стан і зміни стану термодинамічної системи. Термодинаміка грунтується на двох досвідчених законах, а також на тепловий теоремі Нернста або третьому законі термодинаміки. Поряд з простотою і наочністю термодинамічний метод має істотний недолік, що полягає в тому, що залишається нерозкритим внутрішній механізм явищ. У термодинаміки, як правило, безглузді питання "чому"? Наприклад, якщо ми встановлюємо термодинамічних методом, що при розтягуванні мідний стрижень охолоджується, а гумовий - нагрівається, то фізичні механізми цього залишаються невідомими. У той же час, статистичний метод дозволяє вирішувати цю та багато інших нерозв'язні в рамках термодинамічної методу завдання: висновок рівнянь стану макроскопічних систем, опис явищ переносу, деякі питання випромінювання. Нарешті, статистичний метод дає суворе обгрунтування законів термодинаміки і дозволяє встановити межі їх застосовності. Таким чином, термодинамічний і статистичний методи тісно взаємопов'язані, і тому має сенс говорити про єдиної статистичної термодинаміки. Слід зазначити, однак, що зроблені в подальшому висновки будуть справедливі тільки для систем, що містять досить велику кількість частинок.

Термодинамічна система - це макроскопічна сукупність тіл (полів, часток) здатних обмінюватися енергією, як між собою, так і з зовнішнім середовищем. Відкритою термодинамічною системою називається система, що обмінюється речовиною з зовнішнім середовищем. Типовим прикладом таких систем є живі організми. Закрита термодинамічна система не може обмінюватися речовиною з зовнішнім середовищем. Термодинамічна система називається ізольованою. якщо вона не обмінюється з зовнішнім середовищем ні речовиною, ні енергією. Замкнутої термодинамічної системою будемо називати систему, не обмінюється енергією з зовнішнім середовищем механічним шляхом (шляхом здійснення механічної роботи). Термодинамічна система буде називатися адіабатною. якщо вона не обмінюється енергією з зовнішнім середовищем шляхом теплообміну.

Термодинамічними параметрами (макроскопічними параметрами стану) системи називаються фізичні величини, що характеризують стан термодинамічної системи в цілому (тиск, температура, об'єм, намагніченість, пружні напруги, енергія та ін.). Зовнішніми параметрами системи називаються фізичні величини, що залежать від положення в просторі і різних властивостей тіл (наприклад, електричних зарядів), які є зовнішніми по відношенню до даної системи. Наприклад, для газу таким параметром є об'єм V, бо він залежить від розташування зовнішніх тел (стінок посудини, зовнішнього тиску). Внутрішніми параметрами системи називаються фізичні величини, що залежать як від стану і властивостей зовнішніх тіл, так і від координат і швидкостей тіл системи. Наприклад, внутрішніми параметрами газу є його тиск і енергія.

Кількість речовини можна характеризувати декількома способами, які тісно пов'язані між собою. Молекулярною масою (M) речовини називається ставлення маси молекули цієї речовини до 1/12 маси атома 12 С. 1/12 маси атома 12 С називається атомної одиницею маси (а.е.м.), 1а.е.м. = Mед = 1,66 · 10 -27 кг.

Кількість речовини, що містить стільки ж частинок, скільки міститься атомів в 0,012 кг ізотопу вуглецю 12С, називається молем. Число частинок, що містяться в одному молі речовини, називається числом Авогадро (NА). Дослідним шляхом знайдено, що NА = 6,023 × 10 23 1 / моль. Масу благаючи називаютмолярной масою (m). Очевидно, що маса однієї молекули m1 = Mmед. тоді молярна маса речовини: m = Mmед NА = m1 NА. Якщо маса довільної кількості речовини (наприклад, газу) дорівнює m, то кількість речовини можна виразити числом молей даної речовини n = m / m.

Іншим важливим параметром термодинамічної системи, що визначає кількість речовини, є обсяг (V) - обсяг простору, зайнятого термодинамічної системою. Одиницею виміру обсягу в системі СІ є кубічний метр (м 3). Молярним об'ємом називається величина рівна Vm = V / n.

Закон Авогадро: при однакових умовах молярні об'єми різних газів однакові.

Тиском називається фізична величина:

де dF ^ - модуль сили, що діє перпендикулярно малому ділянці поверхні площею dS, по якій вона розподілена.

Одиницею вимірювання тиску в системі СІ Паскаль (Па).

Під макросостояніем системи розуміють будь-який стан, яке задано зазначенням щільності, тиску, температури, енергії або інших параметрів, що характеризують стан всієї системи або малих частин її, але містять досить велику кількість частинок. Рівноважний стан термодинамічної системи - це такий стан, при якому термодинамічні параметри системи однакові у всіх точках системи, в усі моменти часу при незмінних зовнішніх умовах. Рівноважний стан характеризується відсутністю будь-яких потоків (енергії, речовини тощо). У рівноважному стані система може пробути як завгодно довго. Якщо систему шляхом будь-яких зовнішніх впливів вивести з рівноважного стану, то вона мимоволі переходить в рівноважний стан. Ця тенденція є найважливішою особливістю термодинамічних систем.