Микрохарактеристики частиц и макроскопические термодинамические параметры

Термодинамическая система и особенности двух путей исследования ее поведения.

Микрохарактеристики частиц и макроскопические термодинамические параметры

Принятое в классической механике описание состояния механической системы, состоящей из макроскопических тел, посредством указания координат и импульсов этих тел далеко не всегда оказывается достаточным для правильного предсказания последствий, вызываемых взаимодействием этих тел. Это означает, что разнообразие взаимодействий в природе даже при макроскопическом рассмотрении не может быть сведено к механике. Повседневная практика дает нам множество примеров недостаточности чисто механического описания поведения макроскопических тел. Так, одно и то же тело, неподвижное в некоторой системе отсчета, может восприниматься нами на ощупь как холодное, теплое или горячее. Хотя ясно, что наши органы чувств несовершенны в качестве измерительных приборов, однако даже они позволяют сформировать основные понятия для изучения тех свойств макроскопических тел, которые получили название тепловых. Свое объяснение эти понятия получают на основе фундаментального, базового понятия, каким является понятие термодинамической системы.

Термодинамической мы называем систему, включающую в себя огромное количество элементов (микрочастиц), что и отличает ее качественно от системы механической, где число частиц невелико, обычно две или три и редко больше (почти всегда это число порядка единицы). Чтобы составить представление о порядке числа частиц в термодинамической системе, надо ориентироваться на число Авогадро.

Теперь надо вспомнить, что с точки зрения обычного, механического подхода для полного описания состояния системы из N частиц надо указать координаты и импульсы этих частиц (у нас это микропараметры системы). Для этого придется решать 3N уравнений движения (в проекциях на координатные оси), что, очевидно, невыполнимо в силу колоссального числа частиц. Где же выход? Оказывается, при выполнении некоторых условий (требование равновесного состояния системы будет обсуждено позднее) нет необходимости прослеживать поведение отдельных элементов термодинамической системы, поскольку большинство макроскопически наблюдаемых в таких системах явлений (а именно они в первую очередь представляют технический интерес) определяется поведением всей совокупности элементов системы как единого целого. Лишь некоторые явления природы связаны с наличием особых характеристик у некоторой, обычно очень небольшой части элементов системы, что требует иного, не термодинамического подхода, чтобы выявить долю элементов коллектива, обладающую такими характеристиками. Эта задача, как уже указывалось ранее, решается статистическими методами. Большинство же макроскопических явлений определяется усредненными по всему коллективу характеристиками микрообъектов (частиц термодинамической системы), такими как средняя энергия, средний (по модулю) импульс и т.п. Усреднение предполагается по частицам, хотя и занимающим макроскопически малый объем, но число которых все еще очень велико. Для понимания сути большинства макроскопически наблюдаемых явлений природы требуется совсем немного таких усредненных микрохарактеристик частиц системы. На макроскопическом уровне это дает возможность использовать для описания состояния термодинамической системы небольшое число так называемых термодинамических параметров, а именно давление, температуру, концентрацию, поляризованность, намагниченность, к которым добавляется геометрический (механический) параметр – объем. Таким образом, макроскопические термодинамические параметры вводятся в обычной термодинамике как описательные величины, и только в статистической термодинамике они раскрываются с точки зрения их микроскопической природы. Так давление газа оказывается результатом усреднения импульсов, передаваемых при ударах молекул о стенку, а температура оказывается пропорциональной средней кинетической энергии, приходящейся на одну молекулу.

С точки зрения феноменологического, макроскопически-описательного подхода знания вышеуказанных параметров (и энергии) вполне достаточно для описания состояния термодинамической системы, если система находится в состоянии термодинамического равновесия, хотя с точки зрения классической механики это описание состояния системы частиц является неполным. Термодинамические параметры могут использоваться и при описании установления процессов равновесия, поскольку равновесие в подсистемах (частях системы, содержащих все еще очень большое число частиц) устанавливается быстрее, чем во всей системе, и все соображения, относящиеся к равновесному состоянию, остаются в силе и для подсистем, на которые всегда можно мысленно разделить систему.

1.2. Принцип термодинамического равновесия.