Молекулярна фізика і термодинаміка, їх завдання та методи

Молекулярна фізика і термодинаміка вивчають фізичні властивості макроскопічних тіл, що перебувають як у рівноважному, так і в не рівноважному станах і складаються з великої кількості мікроскопічних частинок (атомів, молекул, іонів). Відрізняючись різним підходом до досліджуваних явищ, ці розділи фізики взаємодоповнюють один одного.

Молекулярна фізика – це галузь фізики, у якій вивчаються фізичні властивості тіл у різних агрегатних станах на основі розгляду їхньої мікроскопічної будови. Наприклад, аналізуючи тиск газу, молекулярна фізика виходить з розгляду ударів молекул газу об стінки посудини. Коло питань, охоплюваних молекулярною фізикою, дуже широке. У ній розглядаються будова газів, рідин і твердих тіл, їх зміни під дією зовнішніх умов (температури, тиску, електричного і магнітного полів тощо), явища переносу (дифузія, теплопровідність, внутрішнє тертя), фазові рівноваги і процеси фазових переходів (плавлення, випаровування, конденсація, кристалізація та ін.), критичний стан речовини, поверхневі явища на межах розділу різних фаз. Крім перерахованих макроскопічних явищ молекулярна фізика розглядає властивості і будову окремих молекул і атомів. Однак ці питання є предметом атомної фізики і тут не розглядаються. У цьому посібнику розглядаються тільки макроскопічні явища, що є предметом молекулярно-кінетичної теорії будови речовини. Основні положення цієї теорії такі:

1. Усі тіла складаються з атомів і молекул.

2. Атоми і молекули в тілах перебувають у стані безупинного хаотичного
(теплового) руху.

3. Атоми і молекули різних речовин взаємодіють по-різному.

Усі ці положення знаходять своє дослідне підтвердження у таких явищах:

1. Здатність газів займати будь-який наданий їм об’єм.

2. Тиск газів на стінки посудини.

З. Взаєморозчинність різних речовин одна в одній.

4. Неоднакова здатність стискатися і розширюватися різних за хімічною природою і агрегатним станом тіл.

5. Броунівський рух.

6. Закон кратних відношень Дальтона.

7. Різні умови плавлення, твердіння, випаровування і конденсації різних тіл, а також ряд інших явищ, що спостерігаються в природі.

У початковий період розвитку молекулярно-кінетичній теорії був притаманний гіпотетичний характер. У ХХ ст. гіпотеза про молекулярну будову речовини була незаперечно підтверджена експериментально, і молекулярно-кінетична теорія в основному втратила гіпотетичний характер, зберігши його лише в плані використання спрощених ідеалізованих моделей. Наприклад, моделлю одноатомної молекули служить кулька, багатоатомних молекул – система кульок із жорсткими чи пружними зв'язками. Теоретичною моделлю є так званий ідеальний газ, що являє собою сукупність однакових молекул, що хаотично рухаються, взаємодія між якими зводиться до пружного зіткнення, розміри їх нескінченно малі порівняно з відстанями між ними, і в умовах певних досліджень ці розміри можна не враховувати.

Для систем з великою кількістю частинок характерними є не динамічні, а статистичні закономірності. Розглянемо це питання докладніше. Якщо в певну мить часу відомі координати тіла і закон зміни стану його руху, то, вирішуючи рівняння динаміки, можна в будь-який момент часу визначити положення цього тіла відносно обраної системи відліку. Для окремих матеріальних частинок чи для систем, що складаються з невеликої кількості частинок, такий метод є прийнятним, а закономірності зміни стану таких тіл (тобто їх поведінку) називають динамічними. Для систем з великою кількістю частинок такий шлях, по-перше, є дуже громіздким, а по-друге, що саме головне, велике число частинок у макроскопічних тілах призводить до появи нових, так званих статистичних, закономірностей у поводженні таких тіл. Це поводження в широких межах не залежить від конкретних початкових умов стану окремих частинок. Як підтверджує досвід, така система, будучи надана сама собі, набуває рівноважного стану, властивості якого визначаються тільки початковою кількістю частинок, їх сумарною енергією та іншими подібними характеристиками.

Прикладом появи нових закономірностей для систем з великою кількістю частинок можуть бути температура і тиск, властиві газу в цілому, але не властиві окремим молекулам, тому що тиск і температура газу – це макроскопічні поняття і є усередненням імпульсу та енергії молекул. Таким чином, молекулярно-кінетична теорія при вирішенні своїх завдань використовує методи статистичної фізики, що має на меті визначення властивостей макроскопічних тіл через властивості і взаємодію мікрочастинок, з яких складаються ці тіла. Тому статистичну фізику називають мікроскопічною теорією. Ту частину молекулярно-кінетичної теорії, що вивчає властивості речовини в стані рівноваги, називають статистичною фізикою рівноважних процесів, або просто статистичною фізикою. Ту частину, у якій вивчаються нерівноважні процеси в тілах, називають статистичною фізикою нерівноважних процесів, або фізичною кінетикою.

Термодинаміка вивчає властивості макротіл як у рівноважному, так і в нерівноважному станах. Термодинаміка нерівноважних процесів – це спеціальний розділ фізики, і у цьому посібнику не розглядається. Термодинаміку рівноважних процесів, з якої почала розвиватися термодинаміка як загальна теорія теплоти, називають феноменологічною термодинамікою або просто термодинамікою. Ця її назва і використовуватиметься надалі.

Термодинаміка не вводить ніяких спеціальних гіпотез про будову речовини і фізичну природу теплоти. Її висновки засновані на загальних принципах або законах, що є узагальненням дослідних фактів. Вона вивчає властивості тіл і перетворення одних видів енергії на інші, не вникаючи в мікроскопічні процеси, що протікають у тілах. Вона користується експериментальними даними й обчисленнями, для яких розгляд мікроскопічних моделей не є обов’язковим. З цієї причини її називають феноменологічною. Наприклад, той же самий тиск газу на стінки посудини в термодинаміці розглядається як деякий параметр, який можна виміряти експериментально чи обчислити, вирішуючи задане рівняння, але який не потребує розкриття його мікроскопічного змісту. Застосування методів статистичної фізики в термодинаміці рівноважних і нерівноважних процесів свідчить, що феноменологічні закони термодинаміки є загальним проявом властивостей сукупності великої кількості частинок, що утворюють цю систему, і мають статистичний характер.