Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Термодинамика является одной из важнейших частей физики. Ее выводы достоверны в той же мере, в какой достоверны аксиомы, на которых она построена. Эти выводы используются во всех разделах макроскопической физики: гидродинамике, теории упругости, аэродинамике, учении об электрических и магнитных явлениях, оптике и пр. Пограничные дисциплины — физическая химия и химическая физика — в значительной своей части занимаются приложениями термодинамики к химическим явлениям.
2. Термодинамика возникла в первой половине 19 века как теоретическая основа начавшей развиваться в то время теплотехники. Ее первоначальная задача сводилась к изучению закономерностей превращения тепла в механическую работу в тепловых двигателях и исследованию условий, при которых такое превращение является наиболее оптимальным. Именно такую цель преследовал французский инженер и физик Сади Карно (1796—1832) в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.), в котором впервые были заложены начатки термодинамики, хотя и сохранились старые ошибочные воззрения на теплоту как на какое-то невесомое вещество, которое не может быть ни создано, ни уничтожено. В дальнейшем термодинамика далеко вышла за пределы указанной технической задачи. Центр тяжести переместился в сторону изучения физических вопросов. Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Приложения к тепловым двигателям, холодильным установкам и прочим вопросам теплотехники выделились в самостоятельный раздел, называемый технической термодинамикой. В нашем курсе вопросы технической термодинамики практически будут привлекаться лишь для иллюстрации общих физических законов.
3. Тепловая форма движения материи — это хаотическое движение атомов и молекул макроскопических тел. Ее специфичность связана с необычайной колоссальностью чисел молекул и атомов во всяком макроскопическом теле. Так, в одном кубическом санти-
ВВЕДЕНИЕ
11
метре воздуха при нормальных условиях содержится около 2,7 х X 1019 молекул. При тепловом движении молекулы сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в который заключена система. Столкновения сопровождаются резкими изменениями величины и направления скоростей молекул. В результате возникает вполне беспорядочное движение, в котором с равными вероятностями представлены все направления скоростей молекул, а сами скорости меняются в широких пределах от очень малых до очень больших значений.
Чтобы получить предварительное представление о характере движения молекул газа, приведем некоторые результаты кинетической теории газов.
Средняя скорость теплового движения газовых молекул весьма велика. Для молекул воздуха она составляет при комнатной температуре почти 500 м/с, возрастая с повышением температуры. Столкновения между молекулами газа происходят чрезвычайно часто. Например, молекула воздуха при нормальной плотности успевает в среднем пройти всего около 10-8 см от одного столкновения до следующего. Зная среднюю скорость молекулы, нетрудно подсчитать, что при нормальных температуре и плотности молекула воздуха за одну секунду испытывает до 5000 миллионов столкновений, причем число столкновений возрастает с увеличением температуры и плотности газа. Еще чаще сталкиваются молекулы внутри жидкостей, так как они распределены в пространстве значительно более тесно, чем молекулы газа. Помимо поступательного движения совершаются беспорядочные вращения молекул, а также внутренние колебания атомов, из которых они состоят. Все это создает картину чрезвычайно хаотического состояния, в котором находится совокупность громадного числа молекул газов, а также жидких и твердых тел. Такова природа теплоты с точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества.
О тепловом движении можно говорить только в тех случаях, когда рассматриваемая физическая система является макроскопической. Не имеет смысла говорить о тепловом движении, когда система состоит из одного или нескольких атомов.
4. Термодинамика изучает только термодинамически равновесные состояния тел и медленные процессы, которые могут рассматриваться как практически равновесные состояния, непрерывно следующие друг за другом *). (Понятие термодинамического равновесия дается в § 1.) Она изучает также общие закономерности перехода систем в состояния термодинамического равновесия. Круг задач молекулярно-кинетической теории значительно шире. Она изучает
*) В начале 30-х годов возникла и стала развиваться термодинамика неравновесных процессов. Однако этот раздел физики мы здесь рассматривать не будем.
12
ВВЕДЕНИЕ
не только термодинамически равновесные состояния тел, но и процессы в телах, идущие с конечными скоростями. Та часть молекулярно-кинетической теории, которая изучает свойства вещества в состоянии равновесия, называется статистической термодинамикой или статистической механикой. Та же часть, в которой изучаются процессы в телах, идущие с конечными скоростями, называется физической кинетикой. Аксиоматическая термодинамика называется также феноменологической или формальной. Достоинством термодинамики является то, что ее выводы характеризуются большой общностью, так как они обычно получаются без использования упрощенных моделей, без чего не может обойтись молекулярно-кинетическая теория. Однако последняя, по крайней мере в принципе, позволяет решать и такие вопросы, теоретическое рассмотрение которых невозможно методами одной только аксиоматической термодинамики. Сюда относятся, например, выводы термического и калорического уравнений состояния вещества. Знание таких уравнений необходимо, чтобы придать общим выводам термодинамики законченный конкретный характер. Аксиоматическая термодинамика заимствует эти уравнения из опыта. Кроме того, опыты, поставленные в связи с различными проблемами молекулярной физики, показали, что принципы аксиоматической термодинамики не в такой степени незыблемы и универсальны, как это считали ее основоположники. Как и для большинства законов физики, область их применимости ограничена. Так, аксиоматическая термодинамика оставляет в стороне самопроизвольные нарушения состояний термодинамического равновесия или флуктуации, которые проявляются тем отчетливее, чем меньше размеры системы. Статистическая термодинамика охватывает и этот круг явлений, устанавливая тем самым границы применимости формальной термодинамики.
