макроскопічних систем

Статистичний і термодинамічний методи опису властивостей

Модуль 2. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА

У цьому розділі розглядаються системи, що складаються з величезного числа частинок (атомів, молекул), що знаходяться в тепловому русі. Для опису таких систем вводять такі поняття.

Термодинамічні (макроскопічні) параметри - це величини, які описують стан системи, не розглядаючи її внутрішню будову. До них відносять такі параметри, як температура, тиск, об'єм і т.д.

Макросостояніе системи - це такий стан системи, яке визначається завданням її термодинамічних параметрів.

Мікропараметри - це координати і швидкості (імпульси) частинок системи.

Мікростан системи - це стан системи, обумовлений завданням координат і швидкостей (імпульсів) всіх частинок системи.

Рівноважний стан системи - такий стан, при якому її макропараметри приймають певне значення і залишаються постійними як завгодно довго.

Рівноважним є такий стан ізольованої системи, в яке вона переходить після закінчення досить великого проміжку часу (в початковий момент часу стан системи було нерівновагим). Це час називають часом релаксації.

Ідеальний газ - газ, частинки якого на відстані не взаємодіють, а при зіткненнях поводяться як пружні кулі; власний обсяг частинок значно менше обсягу, займаного газом.

Для систем, що складаються з величезного числа частинок, що знаходяться в тепловому русі, поряд з механічною формою руху матерії з'являється нова теплова форма руху. Це можна підтвердити наступними фактами:

1) у системи з'являються нові властивості (макропараметри, такі як тиск, температура, електричний опір і т.д.), якими не володіють окремі частинки;

2) система забуває свої попередні стани. Наприклад, будь-яке рівноважний стан газу можна отримати різними способами, і за кінцевим станом газу не можна визначити, який з них був реалізований. Цим теплова форма руху матерії істотно відрізняється від механічної форми руху (в механіці кінцевий стан тіла однозначно пов'язане з його початковим станом);

3) стан окремої частки не впливає на макроскопічне стан системи. Так, наприклад, тиск газу в рівноважному стані залишається постійним, хоча швидкість будь-якої частки через теплового руху постійно змінюється.

Все це свідчить про те, що в цьому розділі необхідно використовувати інші підходи (термодинамічний і статистичний підходи) до опису властивостей макросистеми.

Коротко викладемо суть статистичного підходу. схема реалізації якого наведена на рис. 2.1.

Для системи, що знаходиться в стані рівноваги, через хаотичності теплового руху є великий набір випадкових значень швидкостей і координат частинок. Виявляється, що на величезній сукупності випадкових значень швидкостей, координат, кінетичних енергій, потенційних енергій окремих частинок (перший блок на рис. 2.1) з'являються суворі статистичні закономірності, які виражаються функціями розподілу часток по модулю їх швидкостей, за координатами, кінетичним, потенційним енергій і т.д. (Другий блок на рис. 2.1).

Знання цих функцій розподілу дозволяє оцінити середні властивості частинок, тобто властивості, усереднені по всій сукупності частинок (третій блок на рис. 2.1). Середні властивості частинок характеризують всю сукупність часток в цілому. Якщо, наприклад, кажуть, що швидкість часток з підвищенням температури зростає, те під цим мають на увазі середні швидкості частинок.

Далі знання середніх характеристик частинок дозволяє отримати макроскопічні властивості системи (четвертий блок на рис. 2.1).

В термодинамічній підході при описі властивостей системи її внутрішню будову не розглядається, а всі основні висновки про поведінку систем робляться на основі трьох начал (законів) термодинаміки. Ці закони термодинаміки є постулатами (недоказовими твердженнями), вони узагальнюють досвідчені дані. У зв'язку з цим висновки термодинаміки є достовірними і не ставляться під сумнів.

В подальшому викладі розглянемо докладно окремі етапи застосування статистичного підходу. Причому спочатку будуть розглядатися системи класичних частинок, тобто частинок, для яких хвильові властивості не позначаються на їхньому русі.