Cтраница 2
Изучением различных свойств тел и изменений состояния вещества занимается также термодинамика. Однако в отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика изучает макроскопические свойства тел и явлений природы, не интересуясь их микроскопической картиной. Не вводя в рассмотрение молекулы и атомы, не входя в микроскопическое рассмотрение процессов, термодинамика позволяет делать целый ряд выводов относительно их протекания. [16]
В термомеханике, как и в механике сплошной среды в целом, обычно не рассматриваются микроструктура тела и микромеханизм явлений, которые определяют его свойства. При этом достаточно располагать лишь параметрами, характеризующими макроскопические свойства тела как сплошной среды, и законами, которые устанавливают связь между этими параметрами. Это не является недостатком механики. Напротив, именно такой подход, называемый обычно феноменологическим, позволяет решать инженерные задачи по расчету реальных конструкций. [17]
ТНаряду с молекулярно-кинетическим методом, в молекулярной физике используется также термодинамический метод. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике изучают макроскопические свойства тел и различные процессы в них, не обращаясь к микроструктуре тел и происходящим них микропроцессам. Возможность применения термодинамического метода связана с тем, что многие свойства тел обусловлены происходящими в них процессами превращения энергии из одних видов в другие. Фундаментальные законы энергетических превращений, называемые началами или принципами термодинамики, были установлены путем обобщения большого числа опытных фактов. На их основе в термодинамике получены многочисленные результаты, имеющие очень общий характер. [18]
Об окружающих телах мы судим по их свойствам, которые будучи воспринимаемыми органами чувств, принято называть макроскопическими. Так, предполагалось, что все тела состоят из невидимых мельчайших частиц, форма сосуществования которых и объясняет макроскопические свойства тел. Исходя из этого, свойства газов объясняли наличием большого расстояния между его микрочастицами и как следствие слабым воздействием их друг на друга. И напротив, в жидких и твердых телах расстояния между микрочастицами минимальны и, таким образом, значительны воздействия друг на друга. [19]
Наше представление о температуре по происхождению в основном физиологическое, хотя физиологические ощущения, позволяющие различать горячее и холодное, недостаточно адежны и чувствительны. Тем не менее большие различия в степени нагретости, как, например, между льдом и кипящей водой, несомненно, различимы физиологически. Далее, экспериментально было установлено, что макроскопические свойства тел, например объем жидкости или газа при постоянном давлении, зависят от того, погружено тело, например, в лед или кипящую воду. Это непосредственно приводит к объективному методу установления различия между горячим и холодным и к идее устройства термометра, главное назначение которого на данном этапе изложения состоит в определении того, является ли степень нагретости тела постоянной или меняющейся. [20]
Для выяснения температурной зависимости физических величин необходимо знать, как движутся атомные частицы, из которых состоит тело. Статистическая физика связывает движение отдельных атомных частиц с макроскопическими свойствами тел. Когда речь идет о газе, ясно, что означают слова отдельная атомная частица. А что они означают в твердом теле, которое именно тем и отличается от газа, что в нем нет отдельных атомных частиц, так как частицы взаимодействуют друг с другом. Как мы увидим, роль отдельных атомных частиц в кристаллах играют квазичастицы - о них речь пойдет ниже. [21]
Применение такого метода позволяет использовать общие термодинамические соотношения для описания процессов, протекающих в разнообразных областях физики и химии, и в этом его большое преимущество. Однако феноменологический подход не позволяет детально изучить свойства рассматриваемых термодинамических систем. В настоящее время на базе статистической физики и некоторых разделов термодинамики возникла новая наука - статистическая термодинамика, которая опирается на определенные качественные представления о молекулярной природе вещества. Метод статистической термодинамики ( статистический метод) широко используется при рассмотрении второго закона термодинамики и химических равновесий. Применение статистического метода позволяет также увязать макроскопические свойства тел с микроскопическими свойствами молекул. [22]
Однако формальность построения термодинамики ограничивает область ее применения. Термодинамика не может описать скорости процессов. II статистической трактовки энтропии ясно, что состояния с меньшими значениями энтропии возможны, хотя и менее вероятны. Эти отклонения от равновесных состояний ( флуктуации) также не описываются термодинамикой. Наконец, в рамках термодинамики не вскрывается механизм процессов, связь между макроскопическими свойствами тел ( термические и калорические коэффициенты) и микроскопическими характеристиками молекул. [23]
Однако формальность построения термодинамики ограничивает область ее применения. Термодинамика не может описать скорости процессов. II статистической трактовки энтропии ясно, что состояния с меньшими значениями энтропии возможны, хотя и менее вероятны. Эти отклонения от равновесных состояния ( флуктуации) также не описываются термодинамикой. Наконец, в рамках термодинамики не вскрывается механизм процессов, связь между макроскопическими свойствами тел ( термические и калорические коэффициенты) и микроскопическими характеристиками молекул. [24]