Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
До сих пор мы изучали простые физические системы, для каждой из которых были справедливы свои законы движения, своя динамика. В одних случаях это законы классической механики, в других — электродинамики, в третьих — квантовой механики. При этом мы, как правило, идеализировали изучаемую систему, отвлекаясь от присущего всем без исключения объектам свойства, а именно от того, что либо сама система, либо ее составные части совершают хаотическое тепловое движение. Закономерности этого движения — общие для объектов любой физической природы, описываемых разными динамическими законами. Универсальный характер теплового движения придает исключительную роль науке, занимающейся изучением его закономерностей.
Типичные макроскопические системы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, содержат порядка 1025 взаимодействующих атомов, молекул или других микрообъектов. Нам известны их строение и взаимодействие. Физические законы, описывающие динамическое поведение этих микрообъектов (законы классической и квантовой механики, электродинамики), также хорошо известны. Мы уверены в их справедливости применительно к поведению атомов любой макроскопической системы, будь то жидкость, твердое тело или живой организм. Казалось бы, этого в принципе
§ 14. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
115
достаточно для того, чтобы на основе известной микроструктуры макроскопической системы вывести ее наблюдаемые свойства.
Однако оказывается, что реализовать такую программу совершенно невозможно, пока мы не располагаем методами, которые находились бы в соответствии с необычайной сложностью таких систем. Сложность макроскопической системы означает не только невозможность интересоваться поведением всех входящих в нее молекул или атомов. Во многих случаях сложность приводит к появлению новых качеств, которые могут оказаться весьма неожиданными.
Для объяснения свойств макроскопических систем, состоящих из огромного числа частиц, необходимо прежде всего сформулировать новые понятия, отвечающие такому качеству, как необычайная сложность системы. Исторически при изучении макроскопических систем независимо сложились два различных подхода — статистический и термодинамический.
Статистический подход, или статистическая механика, основывается на определенных представлениях о строении вещества. Термодинамический подход, или термодинамика, представляет собой феноменологическую теорию, основанную на небольшом числе твердо установленных на опыте законов. Исторически термодинамика появилась раньше статистической механики, когда еще не существовало сколько-нибудь надежно подтвержденных на опыте представлений о молекулярном строении вещества.
Центральные понятия термодинамики вводятся не с помощью представлений о внутреннем строении изучаемой системы, а на основе эксперимента. Термодинамика оперирует только макроскопическими величинами: давлением, температурой, энергией системы и т. д.
Термодинамика концентрирует внимание на закономерностях превращений энергии. Она позволяет установить, в каком направлении могут протекать различные физические или химические процессы в тех или иных системах. Термодинамика вскрывает глубокие связи между различными свойствами вещества: располагая экспериментальными данными о каких-то одних свойствах определенного вещества, можно методами термодинамики рассчитать некоторые другие его свойства. В этом разделе будут подробно изложены основы термодинамического подхода.
Термодинамическая система. Одно из основных понятий термодинамики — термодинамическая система. Под термодинамической системой понимается совокупность тел любой физической природы и любого химического состава, характеризуемая некоторым числом макроскопических параметров. Такими параметрами могут быть, в частности, давление, объем, напряженность электрического и магнитного полей, электрический и магнитный дипольный моменты и т. д. Определение макроскопических параметров в термодинамике дается указанием способа их измерения на опыте.
116
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Например, газ в сосуде характеризуется давлением, которое измеряется так же, как в гидростатике, и объемом, который зависит от размеров сосуда. Диэлектрик, помещенный в электрическое поле, поляризуется, т. е. приобретает электрический дипольный момент, значение которого также рассматривается как макроскопический параметр.
Внешние и внутренние параметры. Если какую-либо совокупность тел принять за интересующую нас термодинамическую систему, то все остальные тела следует рассматривать как внешние
по отношению к этой системе. В соответствии с этим и характеризующие систему макроскопические параметры подразделяют на внешние и внутренние. Внешними называют такие параметры, значения которых задаются не входящими в рассматриваемую систему телами. Значения внутренних параметров определяются реакцией самой системы на внешние условия. Некоторые из параметров в зависимости от условий могут выступать либо как
