 |
Глава II. Философско-методологические аспекты термодинамики
|
|
|
|
Методы термодинамики
Метод - это способ познания, исследования явлений. В широком смысле «метод - это способ действия, осуществление определенно деятельности, достижения какого-либо результата, решения задачи».
Для исследования изменения массы рабочего тела, то есть для изучения вещества, с помощью которого осуществляется процесс преобразования энергии в тепловых машинах, применяют два метода, различных и взаимно дополняющих друг дуга. Это статистический или молекулярно - кинетический и термодинамический. Рассмотрим более подробно каждый из методов.
«Сущность статистического метода изучения явлений соответствует положению диалектического материализма о соотношении необходимого и случайного». Используя этот метод можно проникнуть в физическую сущность установленных практически (экспериментально) законов и оценить границы применимости этих законов, а также можно теоретически рассчитать термохимические свойства молекул. «Данный метод основывается на том что свойства макроскопической системы в конечном счете определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т.д.)». Примером может случить то, что температура тела определяется скоростью хаотического движения молекул в теле. В любой момент времени скорости разных молекул различны, поэтому температура выражается через среднее значение скорости движения молекул.
В основе данного метода лежит модель, которая описывается с помощью уравнений теории вероятности и математической статистики, то есть математическую основу составляет теория вероятности и статистика. При использовании этого метода необходимо владеть такими важными понятиями как: «случайное событие», «вероятность», «статистическое распределение», «среднее значение случайной величины».
|
|
|
Случайное событие - событие которое может наступить, а может и не наступить. Его можно охарактеризовать следующими признаками:
1) невозможностью однозначного предсказания случайного события;
2) наличием большого числа причин, обусловливающих случайное событие;
3) предсказуемостью хода процесса в массовом коллективе случайных событий;
4) вероятностью события как математического выражения возможности предсказания процесса.
«Статистической вероятностью события А называется относительная частота появления этого события в n произведенных испытаниях, т.е.
(A)=w(A)=m/n
где Р(А) - статистическая вероятность события А; (A) - относительная частота (частость) события А; - число испытаний, в которых появилось событие А:
n - общее число испытаний».
Статистическая вероятность - характеристика опытная, экспериментальная. Р(А) - доля фактически произведенных испытаний, в которых событие А появилось.
Функция статистического распределения - это плотность вероятности в фазовом пространстве. С помощью формулы
,
можно найти вероятность нахождения системы в элементе фазового пространства. 
- функция статистического распределения, где t- время, q- координата, p- импульс частицы.
Виды статистические распределений:
. распределение молекул по объёму;
. распределение молекул по скоростям -распределение Максвелла;
. распределение молекул по потенциальным энергиям - распределение Больцмана;
. закон равномерного распределения энергии по степеням свободы.
Основываясь на распределениях можно получить средние значения физических величин, характеризующих состояние системы.
«Среднее значение случайной величины - характеристика статистического распределения, для большого числа частиц среднее значение случайной величины постоянно». Скорость движения молекул, давление газа на стенки сосуда обычно рассматриваются как средние значения случайной величины.
|
|
|
Возникновение и развитие статистического метода связано с изучением внутреннего строения вещества. Статистические и вероятностные законам подчиняется поведение всех микрообъектов, а также они используются в настоящее время для изучения элементарных частиц.
Термодинамический метод описания процессов и явлений опирается на данные опытов и наблюдений, а также на законы термодинамики. При использовании этого метода «исследователь абстрагируется от дискретной сущности вещества и конкретных путей перехода, все основные законы поведения макросистем устанавливаются экспериментально». Термодинамика - феноменологическая теория, изучаемые свойства связаны с превращением энергии и не рассматривается внутреннее строение. «Термодинамика ничего «не зная» о внутреннем движении, вынуждена постулировать его наличие, приписывать ему определенную энергию, делать какие-то заключения о его свойствах и макроскопических характеристиках».
В основе метода лежат следующие понятия: «термодинамическая система», «состояние термодинамической системы», «термодинамические параметры состояния» и «равновесное состояние».
Понятия термодинамической системы и термодинамические параметры описаны ранее в пункте «Основные понятия термодинамики». Состояние в котором находится система может быть равновесным и неравновесным. Если параметры системы неизменны во времени и одинаковы в пространстве, то такое состояние системы называется равновесным. Термодинамика изучает в основном равновесные состояния. Если система находится в неравновесном состоянии следовательно и параметры состояния меняются с течением времени.
Применяя термодинамический метод «отказываются от излишней детализации явлений (а именно от строгого описания поведения всех частиц, составляющих макросистему), открывает реальный путь для практических вычислений». Число исходных констант значительно меньше, чем при использовании статистического метода. В результате получают ответы на такие важные вопросы как:
|
|
|
1. При каких условиях - температуре, давлении, начальных количествах исходных веществ требуемый материал устойчиво существует; то есть при каких условиях следует получать (синтезировать) требуемое вещество.
. Какая часть исходных веществ превратится в требуемый материал; каков будет выход процесса получения требуемого материала.
. Будет ли устойчив какой-либо материал (вещество) при эксплуатации в требуемых условиях: температуре, давлении, химическом составе окружающей среды; можно ли его использовать как стойкий конструкционный материал.
. Если материал не совсем устойчив к физико-химическому воздействию окружающей среды, то какие продукты и в какой пропорции будут получаться в результате такого воздействия.
Термодинамический метод можно использовать в различных областях физики и химии других наук. «Метод несколько ограничен, термодинамика лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества». «Сама по себе термодинамика не может дать каких-либо сведений о свойствах вещества. Но если известны некоторые данные о свойствах веществ или систем, то термодинамические методы позволяют получить интересные и важные выводы».
Термодинамический и статистический методы взаимно дополняют друг друга. Статистический метод опирается на теоретические расчеты и математику, термодинамический - на опыты и эксперименты. На мой взгляд, при исследовании наиболее лучшим вариантом является сочетание и того и другого методов. При использовании двух методов исследователь получит наиболее полную картину исследуемого процесса, объекта или явления. Основываясь только на термодинамическом методе, можно прийти к ошибочному выводу в результате погрешностей допущенных при выполнении опытов. С помощью математики, возможно, смоделировать и рассмотреть условия, не встречающиеся в окружающем нас мире. «Математика позволяет сформулировать интуитивные идеи и гипотезы в форме, допускающей количественную проверку. Возможность проверки гипотез, лежащих в основе законов, составляет главную ценность математики как инструмента познания физического мира». «Используя математический аппарат и опираясь на мысленное рассмотрение связей между объектами, можно получить на основе главных признаков указанных объектов новые их признаки и свойства». Если исследователю удастся подтвердить результат полученный практикой теоретически и математически, то его труд заслуживает высокой оценки.
|
|
|
