Термодинамика и молекулярная физика

В курсах физики раздел «термодинамика» обычно идет в неразрывной связи с молекулярной физикой. К этому есть основания.

Молекулярная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетической теории, которая базируется на трех основных положениях: все вещества состоят из молекул и атомов; все молекулы непрерывно и хаотически движутся; молекулы взаимодействуют друг с другом.

Цель молекулярно-кинетической теории — истолковать наблюдаемые свойства тел (давление, температуру и т. п.) как суммарный результат действия молекул. Чтобы это сделать, молекулярно-кинетическая теория пользуется статистическим методом, не интересуясь движением отдельных молекул, а лишь средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Поэтому молекулярнокинетическую теорию иногда называют статистической физикой.

Но есть и другой подход к изучению свойств вещества — термодинамический. Термодинамика не вводит в рассмотрение молекулы и атомы, не входит в микроскопическое рассмотрение процессов, а ее основой являются фундаментальные законы, называемые началами термодинамики.

Начала термодинамики установлены из опыта, и при этом нет ни одного факта, вступающего с ними в противоречие.

Подходя к рассмотрению изменений состояния вещества с разных сторон, термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя, по существу, одно целое. У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения — свойства веществ и происходящие в них процессы.

Термодинамика первоначально возникла как наука о закономерностях превращения тепла в работу с помощью тепловых машин. Круг вопросов, которые она изучает, связан с тепловой формой движения материи, т. е. с хаотическим движением атомов и молекул.

Этот круг вопросов занимает в физике особое положение, связанное с тем, что любой вид энергии в процессе превращений может пройти через многие формы энергии, но конечным результатом всех таких превращений обязательно будет энергия тепловая.

Действительно, в тепло переходит механическая энергия (из-за трения), энергия электрического тока, энергия света, энергия химических превращений и даже ядерная энергия.

Важно отметить, что понятие равновесия в термодинамике отличается от равновесия в механике. В термодинамике оно более широкое.

Система находится в термодинамическом равновесии, если макроскопические величины, определяющие ее состояние, остаются постоянными, например, давление и температура.

Термодинамическое равновесие отличается от механического тем, что хотя макроскопические величины, характеризующие систему, остаются постоянными, частицы системы (атомы и молекулы) не прекращают своих сложных движений. Постоянство макроскопических параметров обусловлено громадным числом этих частиц.

Все законы термодинамики, о которых мы будем говорить, относятся только к системам, состоящим из большого числа частиц. В частности, термодинамическая система может состоять из одного тела — твердого, жидкого или газообразного. Всякий переход системы из одного состояния в другое (термодинамический процесс) связан с нарушением равновесия. Но если переход совершать предельно медленно, то состояние системы в каждый момент времени будет равновесным.

Например, если газ под поршнем быстро сжать, то и равновесие сильно нарушится. Но если сжимать очень медленно, то газ в каждый момент времени будет иметь определенное давление, которое мало отличается в разных точках от своего среднего значения.

Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется равновесным, или квазистатическим.

Идеальный равновесный процесс — бесконечно медленный.

Равновесный процесс обладает той особенностью, что может быть проведен в обратном направлении, причем система будет проходить те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Поэтому равновесные процессы называют также обратимыми.

Процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом, или циклом.

Начал термодинамики всего два, и по своей сути они очень просты.