Макроскопические параметры.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

 

Статистический и термодинамический методы

 

По современным представлениям любое макроскопическое тело или система состоят из колоссального числа микрочастиц (атомов, молекул или ионов), находящихся в непрерывном движении. Например, в 1 см ³ газа при нормальных условиях содержится около 3×10¹⁹ молекул, а в жидких и твердых телах - порядка 10²² молекул. Для описания состояния физических свойств таких макросистем потребуется записать очень большое число уравнений классической или квантовой физики, решить и проанализировать их, что технически представляет неосуществимую задачу. Кроме того, существуют физические причины нерациональности данного подхода. Даже если бы нам удалось описать движение каждой частицы, это не позволило бы получить информацию о поведении тела. Подход к решению таких задач должен быть иным.

Физические свойства макроскопических систем изучаются двумя взаимно дополняющими друг друга методами: статистическим и термодинамическим.

Статистический метод основан на вероятностном подходе к изучению закономерностей, возникающих в макроскопических системах микрочастиц. При достаточно большом числе частиц в системе начинают проявляться новые закономерности, называемые статистическими. Свойства системы в этом случае обусловлены не столько индивидуальными свойствами микрочастиц, сколько характером взаимодействий и средними значениями их динамических характеристик (микропараметров): средней скоростью, средней энергией и т.д. В стационарных условиях такие микропараметры, усредненные по большому числу частиц, не изменяются и могут служить объективными характеристиками состояния системы. Раздел физики, в котором с помощью статистического метода изучаются свойства макроскопических систем, называется статистической физикой. Основной задачей статистической физики является установление законов поведения вещества на основе знаний законов поведения микрочастиц (молекул, атомов, ионов, квантов и т.д.), из которых оно состоит. Статистическая физика основана на вероятностных представлениях о свойствах микрочастиц и использовании различного рода статистических распределений, важнейшими из которых являются распределения Гиббса и Больцмана.

Термодинамический метод, в котором не рассматривается внутреннее строение изучаемых тел и характер движения микрочастиц, основан на изучении различных физических явлений с помощью макропараметров и функций состояния и является по своей сути феноменологическим методом. Раздел физики, в котором макросистемы изучаются с помощью термодинамического метода, называется термодинамикой. Основная задача термодинамики, таким образом, заключается в установлении связей между физическими величинами, характеризующими состояние и изменения состояния термодинамической системы. Термодинамика основывается на двух опытных законах, а также на тепловой теореме Нернста или третьем законе термодинамики. Наряду с простотой и наглядностью термодинамический метод обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что остается нераскрытым внутренний механизм явлений. В термодинамике, как правило, бессмысленны вопросы “почему”? Например, если мы устанавливаем термодинамическим методом, что при растяжении медный стержень охлаждается, а резиновый - нагревается, то физические механизмы этого остаются неизвестными. В то же время, статистический метод позволяет решать эту и многие другие неразрешимые в рамках термодинамического метода задачи: вывод уравнений состояния макроскопических систем, описание явлений переноса, некоторые вопросы излучения. Наконец, статистический метод дает строгое обоснование законов термодинамики и позволяет установить границы их применимости. Таким образом, термодинамический и статистический методы тесно взаимосвязаны, и поэтому имеет смысл говорить о единой статистической термодинамике. Следует отметить, однако, что сделанные в дальнейшем выводы будут справедливы только для систем, содержащих достаточно большое количество частиц.

 

МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ

 

Макроскопические параметры.

 

Термодинамическая система - это макроскопическая совокупность тел (полей, частиц) способных обмениваться энергией, как между собой, так и с внешней средой. Открытой термодинамической системой называется система, обменивающаяся веществом с внешней средой. Типичным примером таких систем являются живые организмы. Закрытая термодинамическая система не может обмениваться веществом с внешней средой. Термодинамическая система называется изолированной, если она не обменивается с внешней средой ни веществом, ни энергией. Замкнутой термодинамической системой будем называть систему, не обменивающуюся энергией с внешней средой механическим путем (путем совершения механической работы). Термодинамическая система будет называться адиабатной, если она не обменивается энергией с внешней средой путем теплообмена.

Термодинамическими параметрами (макроскопическими параметрами состояния) системы называются физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы в целом (давление, температура, объем, намагниченность, упругие напряжения, энергия и др.). Внешними параметрами системы называются физические величины, зависящие от положения в пространстве и различных свойств тел (например, электрических зарядов), которые являются внешними по отношению к данной системе. Например, для газа таким параметром является объем V, ибо он зависит от расположения внешних тел (стенок сосуда, внешнего давления). Внутренними параметрами системы называются физические величины, зависящие как от положения и свойств внешних тел, так и от координат и скоростей тел системы. Например, внутренними параметрами газа являются его давление и энергия.

Количество вещества можно характеризовать несколькими способами, которые тесно связаны между собой. Молекулярной массой (M) вещества называется отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома ¹²С. 1/12 массы атома ¹²С называется атомной единицей массы (а.е.м.), 1а.е.м. = m_ед = 1,66·10^{-27 кг.}

Количество вещества, содержащего столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С, называется молем. Число частиц, содержащихся в одном моле вещества, называется числом Авогадро (N_А). Опытным путем найдено, что N_А = 6,023·10²³ 1/моль. Массу моля называют молярной массой (m). Очевидно, что масса одной молекулы m₁ = Mm_ед, тогда молярная масса вещества: m = Mm_ед N_А = m₁N_А. Если масса произвольного количества вещества (например, газа) равна m, то количество вещества можно выразить числом молей данного вещества n = m/m.

Другим важным параметром термодинамической системы, определяющим количество вещества, является объем (V) - объем пространства, занятого термодинамической системой. Единицей измерения объема в системе СИ является кубический метр (м³⁾. Молярным объемом называется величина равная V_m = V/n.

Закон Авогадро: при одинаковых условиях молярные объемы различных газов одинаковы.

Давлением называется физическая величина:

p = dF_^/dS, (5.1)

где dF_^ - модуль силы, действующей перпендикулярно малому участку поверхности площадью dS, по которой она распределена.

Единицей измерения давления в системе СИ Паскаль (Па).

Под макросостоянием системы понимают любое состояние, которое задано указанием плотности, давления, температуры, энергии или других параметров, характеризующих состояние всей системы или малых частей ее, но содержащих достаточно большое число частиц. Равновесное состояние термодинамической системы - это такое состояние, при котором термодинамические параметры системы одинаковы во всех точках системы, во все моменты времени при неизменных внешних условиях. Равновесное состояние характеризуется отсутствием каких-либо потоков (энергии, вещества и т.п.). В равновесном состоянии система может пробыть сколь угодно долго. Если систему путем каких-либо внешних воздействий вывести из равновесного состояния, то она самопроизвольно переходит в равновесное состояние. Эта тенденция является важнейшей особенностью термодинамических систем.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: