Термодинамический и статистический методы описания систем

Наряду со многими происходящими в природе явлениями тепловые занимают важное место в жизни и деятельности человека (например, переход воды из жидкого агрегатного состояния в твердое при охлаждении до 0⁰С и газообразное – пар - при нагревании до 100⁰С). С изменением температуры на 20 - 30⁰С при смене времени года окружающая нас среда преображается: вместо снежного покрова, зеленеют луга и леса.

Научное представление о тепловых явлениях дает наука термодинамика, являющаяся разделом естествознания. Термодинамика изучает закономерности протекания тепловых процессов в системах, а также взаимосвязи между тепловыми и другими явлениями. Она зародилась еще в античности, когда философы древности пытались связать теплоту с механическим движением тел. Древнее изречение гласит: ignis mutat res (лат.), что означает – огонь движет вещами. Первые успехи в построении научной теории теплоты достигнуты лишь в XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественных измерений тепловых свойств систем. Период бурного развития термодинамики приходится на XIX век в связи с изобретением и совершенствованием тепловых машин. В последние десятилетия она получила новое развитие: появилась термодинамика сильно неравновесных систем, методологическое значение которой выходит за рамки естествознания и касается социально-экономических наук. Кроме того, неравновесная термодинамика - одна из наук, в недрах которой зародилась синергетика – теория самоорганизации. Именно эти аспекты представляют для нас интерес в данном курсе.

В процессе обмена энергией и массой участвует множество тел (элементов, частиц). Макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (в т. ч. мысленных, условных), состоящее из достаточно большого числа частиц и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др., - называют термодинамической системой. В зависимости от степени взаимодействия (перераспределения массы и энергии) с окружающей средой различают три вида термодинамических систем: изолированные, закрытые, открытые. Система называется изолированной, если ее масса и энергия со временем не изменяются; закрытой, если при неизменной ее массе (количестве частиц) она может обмениваться с окружающей средой энергией; открытой, если она обменивается с окружающей средой веществом, энергией. Для изучения тепловых процессов в естествознании сформировался термодинамический метод исследования. Он заключается в том, что термодинамическая система рассматривается как один целостный объект (а не как множество ее элементов, молекул), и ее состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. В качестве таковых обычно выбирают абсолютную температуру (температуру по шкале Кельвина – Т), давление (Р), молярный объем (объем одного моля вещества – V_М). Параметры связаны друг с другом, поэтому состояние системы можно представить в виде уравнения. Например, для идеального газа массой в один моль эту связь выражает уравнение Менделеева-Клапейрона:

PV_М = RT, (5.1)

где R = 8,314 Дж/моль * К – универсальная газовая постоянная.

Термодинамика подразделяется на: равновесную и неравновесную. Равновесная термодинамика изучает процессы в системах, находящихся в равновесном состоянии,а такжепроцессы,протекающие при нарушении и восстановлении равновесия (например, такие явления, как теплопроводность или диффузия). Равновесное состояние системы – состояние, в котором ее параметры при неизменных внешних условиях остаются постоянными сколь угодно долго. Неравновесная термодинамика описывает явления в закрытых и открытых системах.

Термодинамический метод устанавливает связи между макроскопическими свойствами тел, рассматривая эти свойства как бы снаружи, не вникая в структуру вещества. Он изучает общие закономерности передачи и превращения энергии. Основу термодинамики составляют два фундаментальных закона: первое и второе начала термодинамики, которые являются итогом обобщения практического опыта человечества, поэтому он успешно применяется во всех отраслях естествознания (химии, биологии и др.). Однако, с другой стороны, термодинамический метод ограничен, так как не дает информации о механизме явлений.

Поведение громадного числа молекул, составляющих макротела, изучается также статистическим методом, который основан на том, что свойства макротел определяются свойствами молекул, особенностями их движения (скоростью, энергией, импульсом и т.д.) и взаимодействия. Например, температура может быть выражена через среднее значение кинетической энергии движения молекул. Статистический метод дает представление о механизме тепловых процессов, рассматривая их как бы изнутри макротел, он существенно дополняет термодинамический метод. Основные законы термодинамики также имеют статистический смысл. Поэтому оба метода составляют основу термодинамики.