7.1. Предмет молекулярной физики и термодинамики. Статистический и термодинамический методы изучения макроскопических систем

Молекулярная физика – это физика вещества. Она изучает молекулярную или тепловую форму движения материи. Ее задача – на основе представлений о молекулярном движении объяснить физические свойства вещества в газообразном, жидком и твердом состояниях, явления перехода из одного состояния в другое, а также процессы, происходящие в веществе при различных внешних воздействиях: механических, термических и др.

Свойства макроскопических тел (материальных объектов, состоящих из очень большого числа частиц), находящихся в различном агрегатном состоянии, можно изучать, пользуясь двумя взаимно дополняющими друг друга методами:

1) статистическим (молекулярно-кинетическим);

2) термодинамическим.

Молекулярная физика изучает явления, которые составляют результат совокупного действия огромного числа частиц (в одном см³ газа при нормальных условиях содержится 2,7?10¹⁹ молекул – число Лошмидта). Такие распространенные явления, как давление газа на стенки сосуда, явления переноса, тепловые явления и др., подчиняются законам больших чисел или, иначе, законам статистики. В основе статистического метода применительно к молекулярной физике лежит несколько утверждений:

1. Совокупность огромного количества молекул имеет такие свойства, каких нет у каждой молекулы в отдельности. Например, свойствами совокупности молекул являются давление, температура, теплопроводность, вязкость, диффузия и др., но нельзя говорить о давлении, температуры, вязкости одной молекулы.

2. Существует определенная количественная связь между свойствами коллектива молекул и средними значениями тех физических величин, которые характеризуют поведение и свойства каждой молекулы в отдельности. Например, средняя кинетическая энергия молекулы газа пропорциональна его абсолютной температуре, являющейся свойством коллектива молекул.

3. Свойства коллектива молекул являются макроскопическими свойствами, а свойства каждой молекулы в отдельности – микроскопическими. Связь между макроскопическими и микроскопическими свойствами устанавливается на основе теории вероятностей.

При термодинамическом (энергетическом) подходе к изучению свойств макросистемы не рассматривается ее конкретное строение, механизм микропроцессов, игнорируются структурные элементы системы (частицы). Термодинамика интересуется лишь энергетическими характеристиками вещества. Она изучает способы и формы передачи энергии от одной системы к другой, закономерности превращения одних форм энергии в другие, направления протекания процессов в природе. Основной вопрос термодинамики – получение работы за счет тепловой энергии.