 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
76
Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли
немецкий физик Р. Клаузиус (1822–1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский
физик Л. Больцман (1844–1906) и другие ученые.
Термодинамическое и статистическое описание свойств макросистем
Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных,
но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем:
термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в
основе термодинамики, второй – молекулярной физики.
Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается
молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью
величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул
(термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул
которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Газ в
баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т. п. – все это примеры
макросистем.
Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы,
представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и
обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние
системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими
ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают
температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).
Температура
– физическая величина, характеризующая состояние термодинамического
равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции
по мерам и весам (1960 г.) в настоящее время рекомендовано применять только две
температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные
соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Анализ показывает, что 0 К
(абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь угодно близкое приближение к нему возможно.
К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и
молекул – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочисленными
опытами была доказана справедливость этой теории.
Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия
огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью
статистического метода. Он основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном
результате определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и
усредненными значениями кинетических и динамических характеристик таких частиц (скорости,
энергии, давления и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного
движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные
скорости, она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул.
Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют
физический смысл лишь в случае большого числа молекул.
После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она
помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных
механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ
независимо от их внутреннего строения. Вместе с тем при расчете различных процессов с
помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел,
необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе
данных о строении вещества определить такие параметры. Однако количественная теория
твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна, поэтому в ряде случаев простые
расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимыми.
В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и
статистические методы описания свойств микросистемы.
Основные положения молекулярно-кинетическик представлений