Термодинаміка і статистична фізика

Модель термодинамічної системи (класичний приклад – газ в посудині під поршнем) можна розглядати як варіант моделі суцільного (безперервної) середовища. Специфіка термодинаміки визначається особливими термодинамічними величинами: температурою T, кількістю теплоти Q, внутрішньою енергією U, ентропією S44. Ці параметри вводяться поряд з типовими для безперервного середовища параметрами тиску і щільності.
Крім того, в рівноважної термодинаміки, про яку у нас і піде мова, розглядаються стану однорідні і рівноважні, т. Е. Параметри, що характеризують стан, не змінюються в просторі та часі. Рівноважний термодинамічний стан повністю характеризується невеликим числом фізичних параметрів стану. Зазвичай такими параметрами є температура T, обсяг V (або щільність) і тиск p, які пов’язані між собою так званим рівнянням стану f (p, V, T) = 0. Для ідеального газу це відомий закон Клапейрона-Менделева pV = RT, де R = const45.
Термодинамічний процес, т. Е. Перехід з одного рівноважного стану в інший, пов’язаний зі зміною не часові, а зовнішнього впливу (F на схемі 3.1), що виступає в формі зміни керуючого параметра. У якості останнього можуть виступати параметри стану (p, V або T). Інший тип впливу пов’язаний з підведенням або відведенням тепла. Він регулюється першим і другим законами (началами) термодинаміки.
Перший початок термодинаміки вводить поняття внутрішньої енергії U і стверджує, що якщо система здійснює термодинамічний цикл (т. Е. Повертається в кінцевому рахунку в початковий стан), то повна кількість теплоти, повідомлене системі впродовж циклу, одно досконалої нею роботі. Перший початок (закон) термодинаміки є закон збереження енергії для систем, в яких істотну роль відіграють теплові процеси. Він стверджує неможливість створення “вічного двигуна”.
Другому початку термодинаміки Р. Клаузіус (1850) дав таке формулювання: “Неможливий процес, при якому теплота переходила б мимовільно від тіл холодніших до тіл більш нагрітим”. Друге початок термодинаміки вводить поняття ентропії S і стверджує неможливість створення “вічного двигуна другого роду” типу черпання енергії з світового океану шляхом його охлажденія46. У глобальну “картину світу” другий закон термодинаміки вніс проблему “теплової смерті Всесвіту” (згідно з другим законом термодинаміки всі системи, у тому числі всі частини Всесвіту і Всесвіт в цілому, прагнуть до термодинамічної рівноваги, в якому всі вирівнюється, зникають будь неоднорідності, в тому числі гаряче Сонце і біологічне життя). Ця проблема інтенсивно і широко обговорювалася в другій половині XIX ст.
Відмінність статистичної (молекулярної) фізики від термодинаміки полягає в тому, що в першій в шарі фізичної моделі додатково вводиться мікроскопічна модель термодинамічної системи (тіла-речовини). Це відбувається на базі нового механічного уявлення молекул у вигляді абсолютно твердих пружних шаріков47. На базі цієї механічної моделі незабаром були отримані основні термодинамічні співвідношення для ідеального газу, акредитуючої тут як сукупність слабо взаємодіючих атомів або молекул. Це базова модель молекулярної фізики. Більш складні системи, що розглядаються в ній, так чи інакше зводять до моделі слабонеідеального газу.
Молекулярна фізика дає також чіткі моделі різних фаз – “термодинамічно рівноважних станів речовини, що відрізняється за фізичними властивостями від інших рівноважних станів (інших фаз) того ж речовини” [ФЕС]. Розріджений газ – це молекулярна система, в якій відстань між молекулами L велике в порівнянні з розміром молекул d. Тому молекули не відчувають тяжіння один до одного. Внаслідок цього обсяг і форма газу визначаються зовнішніми умовами (межею судини). У конденсованих молекулярних системах величини L і d близькі. До таких систем відносяться кристалічні тверді тіла, що володіють “далеким порядком”, тобто періодичної впорядкованістю положень молекул на відстанях L >> d. Вони зберігають і обсяг, і форму, що визначаються видом міжмолекулярної взаємодії. Іншим типом конденсованої молекулярної системи є рідина, в якій відсутній дальній порядок, внаслідок чого вона має плинністю і зберігає лише обсяг, але не форму. Виродженим випадком рідини є аморфні тверді тіла, що володіють настільки малій плинністю, що у багатьох відношеннях поводяться як кристалічні тверді тіла. Вплив температури в цій моделі позначається через збільшення швидкості молекулярного руху (поступального в газоподібної і коливального в конденсованій фазі). Четвертим фазовим станом називають плазму – газ, що складається з іонів, що можливо, наприклад, при дуже високих температурах, характерних для Сонця і зірок. Існує підрозділ молекулярної (статистичної) фізики – теорія фазових переходів, де розглядаються переходи з однієї фази в іншу.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 3.00 out of 5)

Термодинаміка і статистична фізика