Основы молекулярной физики и термодинамики

В начале изложения этого раздела курса необходимо разъяснить студентам два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода исследования физических свойств макроскопических систем — статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй — термодинамики. При рассмотрении молекулярно - кинетической теории следует отметить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от свойств каждой отдельной молекулы. Даже если, как это делается в классической статистической физике, базирующейся на механической картине мира, можно считать, что каждая молекула движется по законам ньютоновской механики, совокупное движение огромного коллектива молекул обладает специфическими закономерностями. Свойства макроскопической системы в конечном счете определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и средними значениями динамических характеристик этих частиц (их скоростей, энергией и т. д.).

Говоря о термодинамическом методе, необходимо четко сформулировать определения таких основных понятий термодинамики, как термодинамическая система, термодинамические параметры (параметры состояния), равновесное состояние, уравнение, состояния, термодинамический процесс, внутренняя энергия и т. д. Следует подчеркнуть, что термодинамика в отличие от молекулярной физики основывается на нескольких универсальных принципах - началах термодинамики, надежно подтвержденных экспериментами. В этом, содной стороны, сила термодинамического метода, пригодного для анализа самых различных физических систем, а с другой - его слабость. Например, методами термодинамики нельзя вывести уравнение состояния системы, нельзя обосновать существование флуктуаций и т. д.

Переходя к рассмотрению молекулярно-кинетической теории идеального газа, необходимо специально остановиться на той роли, которую играет в молекулярной физике модель рассматриваемой системы. Следует подчеркнуть, что выбор этой модели зависит не только от специфических особенностей системы, но и от того, какие ее свойства исследуются. Например, при расчете давления газа на стенки сосуда можно в первом приближении принять молекулы газа за абсолютно упругие материальные точки, беспорядочно движущиеся в сосуде и сталкивающиеся только с его стенками. В то же время для объяснения процессов установления равновесного распределения молекул газа, а также закономерностей явлений переноса совершенно необходимо учитывать столкновения молекул друг с другом, хотя при этом по-прежнему можно пренебрегать их собственным объемом. В этой связи весьма поучительно сопоставить на лекции значений суммарного собственного объема и суммарной площади поверхности всех молекул газа, находящихся в сосуде, соответственно с объемом сосуда с площадью поверхности его стенок. Наконец, в молекулярно-кинетической теории теплоемкости газа необходимо учитывать внутреннюю структуру молекул. Для объяснения отличия свойств реальных и идеальных газов необходимо дальнейшее уточнение модели газа с тем, чтобы она учитывала действие сил взаимного притяжения и отталкивания молекул, как это сделано, например, в модели газа Ван-дер-Ваалъса.

Следует достаточно обстоятельно рассмотреть такие вопросы, как классическая молекулярно-кинетическая теория теплоемкостей идеальных газов и ее ограниченность, границы применимости закона равнораспределения энергии; законы распределения Максвелла и Больцмана.

Первое начало термодинамики целесообразно сформулировать и записать для малого изменения состояния закрытой системы, т. е. системы, обменивающейся энергией с внешней средой только путем теплообмена и совершения работы. Необходимо разъяснить студентам, что внутренняя энергия в отличие от теплоты и работы является функцией состояния. Используя выражение для внутренней энергии идеального газа, полученное из молекулярно-кинетических представлений, следует записать уравнение первого начала термодинамики для идеального газа, а затем применить этот закон к расчету трех изопроцессов и адиабатного процесса идеальных газов. В заключение можно рассмотреть политропный процесс. Полезно изображать и распознавать всевозможные политропные процессы в различных термодинамических диаграммах. Необходимо обратить внимание на изложение второго начала термодинамики и его статистическое толкование, атакже понятие энтропии. Полезно привести несколько различных формулировок второго начала термодинамики и показать, что они полностью эквивалентны. Целесообразно изложить доказательство теоремы Карно о независимости КПД обратимого цикла Карно от природы рабочего тела. Следует найти выражение для энтропии идеального газа и показать на этом примере, что энтропия в отличие от количества теплоты является функцией состояния.