Термодинамика статистическая физика

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Макроскопические системы. Состояния. Процессы

Макроскопическими, или макросистемами называют системы, состоящие из очень большого числа частиц (атомов, молекул, электронов, фотонов и др.). Молекулярная физика изучает внутренние состояния макроскопических систем и протекающие в них процессы. Теоретические методы исследования многочастичных систем разделяются на два класса: термодинамические и статистические методы. Таким образом, одна и та же система может быть рассмотрена с двух различных точек зрения. Каждый из этих методов имеет свои достоинства. Задачи по исследованию разнообразных макроскопических систем термодинамическими методами составляют раздел молекулярной физики, называемый термодинамикой. Основу термодинамики образуют несколько фундаментальных законов, которые справедливы для любых макроскопических систем независимо от их физической природы. Поэтому термодинамические соотношения имеют очень общий характер. Статистический метод может быть применен только в том случае, когда имеется возможность построить конкретную микроскопическую модель исследуемой многочастичной системы, т. е. когда известны свойства входящих в эту систему частиц и особенности их взаимодействия. Задачи, решаемые статистическими методами, составляют предмет статистической физики. Результаты, полученные этими методами, обычно имеют частный характер, т. е. справедливы только для систем, состоящих из определенных частиц. Соотношения статистической физики более детальны и содержат больше информации о свойствах и поведении исследуемой системы, чем соотношения, полученные термодинамическими методами. Но всегда эти методы согласуются и дополняют друг друга.

Экспериментальные методы и измерительные приборы (какими бы совершенными они ни были) не позволяют на практике установить значения всех параметров, однозначно определяющих состояния всех частиц макроскопической системы. Измерениям доступны только очень немногие величины, характеризующие не каждую частицу системы в отдельности, а всю систему в целом или какую-либо ее макроскопическую часть. Такие величины называются макроскопическими. К ним относятся температура, давление, объем, энергия системы и некоторые другие ее параметры. Можно измерить температуру и давление газа при помощи термометра и манометра соответственно, количество полученного или отданного телом тепла — при помощи калориметра, но нельзя измерить координаты и скорости всех молекул газа. Состояние о многочастичной системы, которое однозначно определяется заданием некоторых макроскопических параметров, называется макроскопическим, или макросостоянием. В отличие от макросостояния о микроскопическим, или микросостоянием называется такое состояние а системы, для описания которого необходимо точно указать значения всех параметров, характеризующих каждую из частиц системы в отдельности. Разумеется, это можно сделать только теоретически. Учитывая данные определения, можно утверждать, что одному и тому же макросостоянию о соответствует множество различных микроскопических состояний, а макросистемы.

При неизменных внешних условиях макроскопическая система со временем переходит в. макросостояние <�т, в котором она будет находиться до тех пор, пока не изменятся внешние условия. Такое макросостояние называется стационарным. Бели в систему не поступают и из нее не выходят вещество и энергия, а сумма всех внешних сил и сумма их моментов равны нулю, то стационарное состояние макросистемы называется равновесным, или состоянием термодинамического равновесия. Система, находящаяся в равновесном состоянии, сама называется равновесной. В неравновесной системе действуют механизмы, стремящиеся привести ее в равновесное состояние. Процесс о = перехода системы из некоторого неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией. Время, необходимое для этого перехода, называется временем релаксации г, а величина 1 /г — скоростью процесса релаксации. Термодинамической системой называется макроскопическая система, находящаяся в равновесном или близком к равновесному состоянии. Только такие системы являются предметом изучения в термодинамике.

При изменении внешних условий термодинамическое равновесие нарушается и ранее равновесная система оказывается в неравновесном состоянии. Если затем внешние условия изменяться не будут, то система релаксирует к другому равновесному состоянию, которое соответствует измененным внешним условиям. Это новое состояние равновесия установится спустя определенное время релаксации. Если внешние условия изменяются незначительно, то неравновесное состояние, в котором окажется система, будет мало отличаться от исходного равновесного состояния. Пусть внешние условия изменяются так медленно, что после каждого незначительного их изменения следующее изменение происходит только после того, как в системе установится термодинамическое равновесие. Такой медленно протекающий (квазистатический) процесс <�т = называется равновесным, или квазиравновесным (т.е. почти равновесным). Строго говоря, термодинамический процесс будет равновесным, когда скорость изменения внешних условий существенно меньше скорости протекающих в системе релаксационных процессов. Равновесный процесс можно рассматривать как непрерывную последовательность равновесных состояний термодинамической системы.

Если в некотором процессе система проходит через ряд неравновесных состояний, то такой процесс называется неравновесным. Необходимым условием изменения состояния системы (т.е. протекания в ней какоголибо процесса) является изменение внешних условий. Поэтому, строго говоря, все реальные процессы в макроскопических системах являются неравновесными, а равновесный процесс можно рассматривать как непрерывную последовательность равновесных состояний только приближенно с некоторой (иногда очень высокой) точностью.

Процесс а = er{t), который переводит систему из некоторого равновесного состояния ет в другое равновесное состояние (72, называется обратимым, если, изменяя внешние условия, можно заставить систему совершить переход из состояния (72 в состояние <�т через те же промежуточные состояния, но в обратном порядке. В противном случае процесс называется необратимым Равновесный процесс всегда можно провести в обратном порядке, т. е. равновесный процесс является обратимым. Неравновесный процесс всегда протекает необратимо. Необратимость процессов в неравновесных макроскопических системах — одно из основных свойств таких систем.

Термодинамика представляет собой феноменологическую (описательную) теорию, которая на основе нескольких эмпирических аксиом и законов, установленных путем обобщения большого числа экспериментальных фактов позволяет найти соотношения, связывающие различные макроскопические параметры термодинамических систем, и предсказывать поведение этих систем в определенных внешних условиях. Причем термин макроскопическая термодинамическая система обозначает любую материальную систему, состоящую из достаточно большого числа частиц. независимо от того, какова физическая природа этих частиц, как они взаимодействуют и в каком агрегатном состоянии (газообразном, жидком или твердом) находится эта система частиц.

В статистической физике макроскопические системы исследуют с позиций молекулярно-кинетических представлений о строении вещества. Задачей статистичекой физики является обоснование и вывод термодинамических соотношений и законов при помощи микроскопических моделей, которые учитывают как физическую природу частиц, входящих в состав исследуемой макроскопической системы, так и характер их взаимодействия.