6.Макроскопичесские тела и их строения

В классической механике предполагается, что движение частиц происходит в соответствии с законами Ньютона, Если система состоит из малого числа частиц, то, зная начальные условия и решая уравнения механики, можно найти координаты и скорости всех частиц в любой момент времени, т.е. определить состояние системы. Однако огромное число молекул (например, в 1 м₃ газа при нормальных условиях содержится число молекул, равное N = 2,7·1025 м^-3 (постоянная Лошмидта), а в твердых и жидких телах — порядка 1028 молекул) и хаотичность их движения создает непреодолимые трудности на пути использования для описания системы механического подхода.

Мы практически не можем решать колоссальное число составленных уравнений. Кроме того, согласно соотношению неопределенностей, открытому в 1927 г. В. Гейзенбергом, определить точно положение частицы в пространстве (ее координаты) и ее импульс (а значит, и скорость) одновременно принципиально невозможно. Движение каждой отдельно взятой частицы не только не может быть установлено, но и не представляет интереса при изучении макроскопических явлений, рассматриваемых в молекулярной физике. Эти явления обусловлены не столько деталями строения атомов и характером управляющих ими законов, сколько необычайно большим числом самих атомов в макроскопических системах.

Наличие большого числа частиц дает возможность эффективно использовать статистические методы. Оказывается, в хаосе движений многих частиц можно все-таки найти некоторые закономерности в поведении средних параметров (или так называемые статистические закономерности). Например, мы не имеем возможности определить скорость каждой отдельной частицы газа, но можем узнать среднюю скорость, с которой движутся частицы данной группы молекул при данных условиях. При этом, как показывают расчеты, состояние системы не зависит от начальных координат и скоростей частиц.

Кинетическая энергия движения отдельных молекул может принимать различные значения при данном состоянии вещества, средняя же энергия имеет при этом вполне определенное значение. Это среднее значение энергии определяет температуру тела.

Однако возможен и другой способ описания явлений. Многие свойства веществ связаны с происходящими в них процессами превращения энергии из одних видов в другие. Поэтому и изучать эти свойства можно на основе законов энергетических превращений.

Термодинамика изучает общие свойства тел и различные процессы в них, сопровождающиеся превращениями энергии, на основе двух начал — фундаментальных законов, установленных в результате обобщения огромного числа опытных фактов, не используя какую-либо определенную модель строения вещества и не высказывая предположения о законах взаимодействия атомов и молекул.

В термодинамике изучаются тепловые процессы — процессы, связанные с изменением температуры тела, а также с изменением его агрегатного состояния.

Термодинамический и молекулярно кинетический методы, применяемые к одним и тем же объектам, дополняют друг друга.

Макроскопические тела – это тела, состоящие из очень большого числа частиц (атомов или молекул). Поведение большой совокупности частиц отличается от поведения каждой частицы в отдельности.

Статистической физикой называется раздел физики, посвященный изучению свойств макроскопических тел, исходя из свойств образующих тело частиц и взаимодействия между ними.

В огромной совокупности частиц (молекул) возникают качественно новые закономерности - статистические. Статистическая физика изучает статистические закономерности и пользуется вероятностными методами.

В статистической физике пользуются статистическим методом, который позволяет определить не поведение отдельных частиц, а только средние величины, характеризующие движение и взаимодействие огромной совокупности частиц (молекул).

Термодинамический способ описания процессов изучает свойства макроскопических тел, не вдаваясь в микроскопическую природу тел. Раздел физики, использующий термодинамический метод описания процессов называют термодинамикой.

В основе термодинамики лежит небольшое число фундаментальных законов, установленных путем обобщения очень большого количества опытных фактов. Статистическая физика и термодинамика подходя с разных точек зрения к рассмотрению изменения состояния вещества, взаимно дополняют друг друга, и образуют единое целое.

Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, взаимодействующих и обменивающихся энергией как между собой так и с другими (внешними) телами. Состояние термодинамической системы характеризуется величинами, называемымитермодинамическими параметрами состояния (параметрами состояния).

Параметры состояния– совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы.

Обычно в качестве параметров состояния применяют: температуру (Т), давление (р), объём (V), массу газа (m), молярную массу газа – (Μ), внутреннюю энергию – U, энтропию – S и т.д.

Температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В настоящее время в нашей стране используют только две температурные шкалы –термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (^оС).

В Международной практической шкале температура замерзания и кипения воды при давлении 1,013·10⁵ Па соответственно равны 0 и 100^оС (так называемые реперные точки).

Между термодинамической температурой и температурой по шкале Цельсия связь задана соотношением:

(К).

(1)

Температура Т = 0 К называется нулём кельвин. Анализ процессов показывает, что 0 К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно. Параметры состояния системы могут изменяться. Математическая связь между параметрами газа называется уравнением состояния и в общем виде записывается соотношением:

.

(2)

Для дальнейших расчётов нам будут нужны: газовая постоянная – R и постоянной Больцмана – k.

В 1875 годурусский учёный Д.И. Менделеев объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро, отнеся уравнение к одному молю и ввел общую для всех газов постоянную, которая обозначается R и называется молярной газовой постоянной или газовой постоянной.Молярная газовая постоянная равна:

.

Молярная газовая постоянная численно равна работе изобарного расширения, которую нужно совершить одному молю газа, при нагревании его на один кельвин.

«Доля» газовой постоянной, приходящейся на одну молекулу называется постоянной Больцмана:

.

(3)

Постоянная Больцмана обозначается буквой k, она равна:

.

.

(4)

Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия – U.

Внутренняя энергия слагается из кинетической энергии поступательного движения молекул, кинетической и потенциальной энергий колебательного движения атомов в молекулах, потенциальной энергии взаимодействия между молекулами и внутримолекулярной энергии (т.е. энергии электронных оболочек атомов и внутри ядерной). Энергия взаимодействия много меньше энергии системы тел, и ею можно пренебречь. Кинетическая энергия тела как целого и его потенциальная энергия во внешнем силовом поле во внутреннюю энергию не входят.

В термодинамические формулы входит не сама энергия, а ее изменение – ΔU, поэтому внутреннюю энергию можно определять с точностью до аддитивной постоянной.

Внутренняя энергия есть величина аддитивная. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы.

Приращение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое, всегда равно разности значений внутренней энергии в конечном и начальном состояниях независимо от пути, по которому совершается переход:

.

(5)

Так как средняя энергия одной молекулы определяется соотношением:

.

(6)

где i – число степенней свободы,

k – постоянная Больцмана,

Т – термодинамическая температура.