Макросистемы. статистический и термодинамический методы их описания

Атомы и молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют са­мые разнообразные тела, из которых и состоит окружающий нас мир. Отличительной особенностью большинства физических тел яв­ляется то, что они состоят из огромного числа частиц. На фотогра­фии, приведенной на рисунке 135, дано изображение атомов золота, расположенных в узлах кристаллической решетки. Фотография по­лучена с помощью электронного микроскопа, использующего вол­новые свойства электронов для получения изображения микрообъ­ектов с увеличением в 26 млн раз. Расстояние между атомами состав­ляет примерно 10 ^|0м. Следовательно, один атом золота занимает объ­ем, равный 10 ³⁰м³. Таким образом, в 1 м³ золота содержится пример­но 10³⁰ атомов этого элемента. 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 -такое число атомов или каких-то других частиц трудно себе предста­вить. Физики подобные числа коротко называют большими числами, а тела, состоящие из такого числа отдельных частиц,— большими си­стемами или макросистемами. Своеобразным эталоном больших чи­сел в мире макросистем служит постоянная Авогадро N_A, названная в честь итальянского ученого Амедео Авогадро (1776—1856), изучавшего свойства газов. Постоянная Авогадро равна числу час­тиц, содержащихся в 0,012 кг изотопа углерода С₁₂, и по измере­ниям Перрена равна N_A = 6,02 10²³ 1/моль. По определению моль любого вещества содержит одинаковое число частиц, равное посто­янной Авогадро.

Описать поведение такого огромного числа взаимодействующих частиц не представляется возможным ни с помощью уравнений Ньютона, ни с помощью уравнений Шредингера.

Для описания поведения макросистем были разработаны два метода: статистический и термодинамический.

При статистическом методе описания используется вполне опре­деленная модель внутреннего строения вещества, в частности модель атомно-молекулярного строения макросистем. Применяя методы статистической физики, теории вероятности, выражают физически измеряемые величины, характеризующие поведение макросистем, так называемые макропараметры, через характеристики микрочас­тиц, входящих в состав макросистем, так называемые микропара­метры.

Такой прием был использован нами при выражении температу­ры газа через среднюю кинетическую энергию молекул этого газа.Термодинамический метод описания не предполагает использо­вание каких-то моделей внутреннего строения вещества. В рамках термодинамики физическое состояние тела характеризуется рядом величин, совокупность которых однозначно описывает поведение макросистемы. Число таких величин, называемых термодинамичес­кими, зависит от сложности изучаемого тела и вида его взаимодей­ствия с другими телами. Так, например, газ в комнате вполне мож­но описать четырьмя величинами: температурой Т⁷, давлением р, объемом V, массой т.

В основу термодинамики как научного метода описания поведе­ния макросистем положены три принципа (три начала) термодина­мики, являющиеся обобщением громадного числа опытных фактов.

Важнейшими термодинамическими явлениями являются: термо­динамическое или тепловое равновесие, изменение внутренней энергии макросистем за счет совершения работы и передачи коли­чества теплоты в процессе теплопередачи, необратимость тепловых процессов.

Вышеперечисленные явления хорошо известны. Действительно, каждый хорошо знает, что стакан с нагретой водой, оставленный на столе в комнате, со временем остывает. Через некоторое время состояние воды в стакане не изменяется, и говорят, что температу­ры воды, стакана и воздуха в комнате равны. Таким образом, равен­ство температур разных тел устанавливается по наличию теплового или термодинамического равновесия между ними.

Физическая величина, одинаковая для тел, находящихся в тепловом равновесии, называется температурой.Если равновесие еще не достигнуто, то те­ло, которое теряет свою энергию в процессе установления равновес­ного состояния, имеет большую температуру, а тело, которое приоб­ретает энергию, имеет меньшую температуру.

Обмен энергией между телами осуществляется в процессе их вза­имодействия. Это взаимодействие может приводить к перемещению одного тела под действием другого. В этом случае энергия тел изме­няется за счет совершения механической работы. Другой способ пе­редачи энергии от одного тела к другому не связан с совершением работы и может происходить за счет молекулярных процессов взаи­модействия. Энергия, которая передается в этом случае без соверше­ния работы, называется количеством теплоты.

Способы изменения внутренней энергии тела

Рисунок поясня­ет возможные способы изменения внутренней энергии тела. Если обозначить изменение внутренней энергии тела через dE, совершен­ную системой работу—через dA, а количество теплоты, переданное системе, — через dQ, то, применяя закон сохранения энергии для описания взаимодействия макросистем, получим

dQ = dE + dA.

Количество теплоты, подведенное к системе, равно изменению вну­тренней энергии системы и работе, совершаемой системой при взаимо­действии с другими телами.Это утверждение называется первым зако­ном термодинамики.

Явление необратимости наблюдается практически во всех реаль­ных природных процессах. Любой процесс нельзя провести в обратном направлении так, чтобы при этом в состоянии исследуемого тела и ок­ружающих тел ничего не изменилось.Это утверждение составляет со­держание второго закона термодинамики, который был открыт не­мецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1822—1888) в 1850 г.

Примером необратимого процесса является передача количества теплоты от более нагретого тела к менее нагретому в процессе теп­лопередачи.

Преобразование работы во внутреннюю энергию тела также представляет собой необратимый процесс. Впервые это понял французский инженер Сади Карно (1796—1832), создавший теорию тепловых машин.