МАКРОСИСТЕМЫ. СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ИХ ОПИСАНИЯ

МАКРОСИСТЕМЫ. СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ИХ ОПИСАНИЯ

Атомы и молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют самые разнообразные тела, из которых и состоит окружающий нас мир. Отличительной особенностью большинства физических тел является то, что они состоят из огромного числа частиц. На фотографии, приведенной на рисунке 135, дано изображение атомов золота, расположенных в узлах кристаллической решетки. Фотография получена с помощью электронного микроскопа, использующего волновые свойства электронов для получения изображения микрообъектов с увеличением в 26 млн раз. Расстояние между атомами составляет примерно 10 10 м. Следовательно, один атом золота занимает объем, равный 10 30м3. Таким образом, в 1 м3 золота содержится примерно 1030 атомов этого элемента. 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 — такое число атомов или каких-то других частиц трудно себе представить. Физики подобные числа коротко называют большими числами, а тела, состоящие из такого числа отдельных частиц,— большими системами или макросистемами. Своеобразным эталоном больших чисел в мире макросистем служит постоянная Авогадро NA, названная Рис. 135. Кристаллическая решетка золота в честь итальянского ученого Амедео Авогадро (1776—1856), изучавшего свойства газов. Постоянная Авогадро равна числу частиц, содержащихся в 0,012 кг изотопа углерода С12, и по измерениям Перрена равна TVA = 6,02-1023 1/моль. По определению моль любого вещества содержит одинаковое число частиц, равное постоянной Авогадро. Описать поведение такого огромного числа взаимодействующих частиц не представляется возможным ни с помощью уравнений Ньютона, ни с помощью уравнений Шредингера. Для описания поведения макросистем были разработаны два метода: статистический и термодинамический. При статистическом методе описания используется вполне определенная модель внутреннего строения вещества, в частности модель атомно-молекулярного строения макросистем. Применяя методы статистической физики, теории вероятности, выражают физически измеряемые величины, характеризующие поведение макросистем, так называемые макропараметры, через характеристики микрочастиц, входящих в состав макросистем, так называемые микропараметры. Такой прием был использован нами при выражении температуры газа через среднюю кинетическую энергию молекул этого газа. Термодинамический метод описания не предполагает использование каких-то моделей внутреннего строения вещества. В рамках термодинамики физическое состояние тела характеризуется рядом величин, совокупность которых однозначно описывает поведение макросистемы. Число таких величин, называемых термодинамическими, зависит от сложности изучаемого тела и вида его взаимодействия с другими телами. Так, например, газ в комнате вполне можно описать четырьмя величинами: температурой Т, давлением р, объемом V, массой т. Для количественного описания необратимости тепловых процессов Клаузиус ввел понятие энтропии, смысл которого с молекулярной точки зрения был раскрыт австрийским физиком JI. Больц-маном. ? Вопросы 1. Что называется постоянной Авогадро, каково ее значение? 2. Что называется молем вещества? 3. Что называется макросистемой? 4. В чем особенности статистического и термодинамического методов описания макросистем? 5. -Что такое количество теплоты? 6. Как формулируется первый закон термодинамики? 7. Что такое необратимый процесс? 8. Как формулируется второй закон термодинамики? В основу термодинамики как научного метода описания поведения макросистем положены три принципа (три начала) термодинамики,- являющиеся обобщением громадного числа опытных фактов. Важнейшими термодинамическими явлениями являются: термодинамическое или тепловое равновесие, изменение внутренней энергии макросистем за счет совершения работы и передачи количества теплоты в процессе теплопередачи, необратимость тепловых процессов. Вышеперечисленные явления хорошо известны. Действительно, каждый хорошо знает, что стакан с нагретой водой, оставленный на столе в комнате, со временем остывает. Через некоторое время состояние воды в стакане не изменяется, и говорят, что температуры воды, стакана и воздуха в комнате равны. Таким образом, равенство температур разных тел устанавливается по наличию теплового или термодинамического равновесия между ними. Физическая величина, одинаковая для тел, находящихся в тепловом равновесии, называется температурой. Если равновесие еще не достигнуто, то тело, которое теряет свою энергию в процессе установления равновесного состояния, имеет большую температуру, а тело, которое приобретает энергию, имеет меньшую температуру. Обмен энергией между телами осуществляется в процессе их взаимодействия. Это взаимодействие может приводить к перемещению одного тела под действием другого. В этом случае энергия тел изменяется за счет совершения механической работы. Другой способ передачи энергии от одного тела к другому не связан с совершением работы и может происходить за счет молекулярных процессов взаимодействия. Энергия, которая передается в этом случае без совершения работы, называется количеством теплоты. Рисунок 136 поясняет возможные способы изменения внутренней энергии тела. Если обозначить изменение внутренней энергии тела через dE, совершенную системой работу—через dA, а количество теплоты, переданное Рис. 136. Способы изменения внутренней энергии тела системе, — через dQ, то, применяя закон сохранения энергии для описания взаимодействия макросистем, получим dQ = dE + dA. 0 Количество теплоты, подведенное к системе, равно изменению внутренней энергии системы и работе, совершаемой системой при взаимодействии с другими телами. Это утверждение называется первым законом термодинамики. Явление необратимости наблюдается практически во всех реальных природных процессах. Любой процесс нельзя провести в обратном направлении так, чтобы при этом в состоянии исследуемого тела и окружающих тел ничего не изменилось. Это утверждение составляет содержание второго закона термодинамики, который был открыт немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1822—1888) * в 1850 г. Примером необратимого процесса является передача количества » теплоты от более нагретого тела к менее нагретому в процессе теплопередачи. Преобразование работы во внутреннюю энергию тела также представляет собой необратимый процесс. Впервые это понял французский инженер Сади Карно (1796—1832), создавший I теорию тепловых машин.