12. Термодинамическое и статическое описание макросистем. Тепловые процессы. Значение термодинамики при изучении процессов реального мира.

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).

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.

Все тепловые процессы обычно связаны с передачей и превращением энергии, описание которых и составляет одну из важнейших задач термодинамики. Термодинамика базируется в основном на двух фундаментальных законах: первом и втором началах термодинамики. 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.

Область применения термодинамики широкая, ибо нет таких областей физики, химии, биологии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическими методами. Однако термодинамика не дает информации о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества. Простейшими термодинамическими системами являются газы, жидкости, твердые тела.

В качестве примера таких процессов можно рассматривать расширение – сжатие газов, нагревание – охлаждение тел, плавление – затвердевание, испарение – конденсация, химические реакции, тепловые излучения и др.

Термодинамика отвечает на три главных вопроса:1) Возможность данного процесса в данных условиях;

2) Если процесс возможен, то в каком направлении он будет протекать;

3) Чем этот процесс закончится.