Молекулярная физика и термодинамика. Молекулярная физика и термодинамика на фундаментальном уровне изучают общее понятие об энергии и ее превращениях

ПРЕДИСЛОВИЕ

Молекулярная физика и термодинамика на фундаментальном уровне изучают общее понятие об энергии и ее превращениях, свойства и особенности вещества в различных условиях. Рассмотрение вопросов такого рода закладывает основу для освоения общетехнических и специальных дисциплин. В будущей практической деятельности выпускника вуза эти знания и навыки должны помочь в постановке и решении инженерных задач, а также освоении новых видов техники и оборудования.

В соответствии с этим, в учебном пособии последовательно вводятся основные понятия и величины, характеризующие тепловые явления, а также взаимосвязь между ними. Рассмотрены особенности классической статистики, распределение Максвелла-Больцмана, явления переноса, понятие квантовой электроники и плазмы, фазовых превращений.

На основе первого и второго начал рассмотрены основы термодинамики.

Текст сопровождается примерами решения задач по соответствующим темам.

В приложении приведены физические постоянные, некоторые математические соотношения, а также вопросы и задачи для проведения коллоквиумов или самостоятельной работы студентов.

Отсутствующий здесь материал, связанный с квантовой статистикой и физикой твердого тела имеется в ранее опубликованном нами пособии (3).

Содержание пособия соответствует программе по физике для высших технических учебных заведений.

В пособии используется стандартная система единиц СИ, хотя в примерах даются нестандартные единицы (кал, атм, мм. рт. ст. и др.).

 

ВВЕДЕНИЕ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Молекулярная физика - раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, исходя из вытекающих из опыта представлений о том, что любое тело состоит из большого числа частиц (атомов или молекул), находящихся в непрерывном хаотическом тепловом движении. В механике движение тела однозначно определяется начальными условиями и силами, действующими на тело. Зная эти величины, мож

но вычислить положение тела в любой момент времени. Такие явления описываются динамическими закономерностями. В молекулярной физике рассматриваются явления, вызванные действием огромного числа частиц. При движении такого огромного числа частиц, координаты и скорости которых постоянно меняются, рассчитать движение каждого из огромного числа атомов или молекул невозможно даже на компьютере, поэтому в данном случае проявляются вероятностные или статистические закономерности, изучаемые методами статистической физики. Это означает, что законы молекулярной физики нельзя свести к законам механики. В статистической физике рассматривается конкретная молекулярная модель и к ней применяются математические методы статистики и теории вероятностей. Следовательно, для исследования используется статистический метод.

Статистический метод основан на законах теории вероятностей и математической статистики.

Статистическая физика рассматривает равновесное состояние - состояние, при котором макроскопические параметры не меняются со временем.

Методами статистической физики изучается, например, диффузия, теплопроводность, теплоемкость - явления, которые полностью определяются строением вещества. Макроскопические процессы в телах, состоящих из большого числа частиц, изучает так же термодинамика.

Термодинамика - раздел физики, изучающий связь и взаимопревращения различных видов энергии, теплоты и работы.

Термодинамика не рассматривает конкретные молекулярные модели. На основе опытных данных формулируются основные законы или начала термодинамики. Эти законы и следствия из них применяются к конкретным физическим явлениям, связанным с макроскопическими превращениями энергии, т.е. не с процессами, происходящими с отдельными атомами и молекулами, а с телами, состоящими из очень большого числа частиц.

Таким образом, предмет у термодинамики и статистической физики один и тот же, различаются лишь методы, которые взаимно дополняют друг друга.

Термодинамика рассматривает термодинамические системы. Системой называют совокупность физических объектов, заключенных в конечной области пространства. Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел и полей, обменивающихся энергией и веществом друг с другом и с внешней средой. Система может состоять и из одного тела. Признаки, характеризующие систему, например, давление, температура, плотность и ряд других, называются термодинамическими параметрами или параметрами состояния. Обычно подбирается минимальное число параметров, которые полностью описывают состояние системы.

Различают экстенсивные параметры, величины которых, завися от количества вещества и интенсивные параметры, величины которых, не зависят от количества вещества. Примером экстенсивной величины является энергия, интенсивной - плотность, температура. Обычно экстенсивные параметры обозначают прописными буквами, а интенсивные - строчными.

Совокупность всех термодинамических параметров задает термодинамическое состояние системы. Уравнение состояния связывает минимальное число термодинамических параметров, необходимое для описания как самого состояния системы, так и других параметров. Термодинамический метод основан на определении состояния термодинамической системы.

Статистические и термодинамические методы являются эффективными методами исследования любых систем, состоящих из большого числа частиц, а не только молекулярных систем. Это означает, что эти методы являются общефизическими методами исследования, а молекулярная физика выступает лишь в качестве одной из областей их применения.