Пособие содержит сжатое изложение классической термодинамики, которое ведется аксиоматическим путем, опираясь на четыре "начала": принцип температуры (нулевой закон термодинамики), принцип энергии (первый закон), принцип энтропии (второй закон) и принцип Нернста (третий закон). Эти законы, являющиеся абстакцией нашего опыта, принимаются за аксиомы, исходя из которых строится вся термодинамика.

Пособие представляет первую часть курса "Статистической физики", который автор читал студентам кафедры оптоэлектроники со времени ее организации лауреатом Нобелевской премии Ж.И. Алферовым в 1973 году. Оно может быть полезно для всех студентов физических специальностей.

---

Главная

Общие законы

Реальные газы

Термодинамическое равновесие

ВВЕДЕНИЕ

Статистическая физика или как ее часто называют статистическая термодинамика является важнейшей частью теоретической физики. Она состоит из двух разделов – термодинамики и статистической механики. В обоих разделах изучаются физические процессы, происходящие в макроскопических телах, т.е. телах, содержащих огромное число атомов, молекул, электронов, ионов или других микроскопических частиц. Соответственно существует два метода изучения макроскопических систем – термодинамический и статистический.

Термодинамический метод не опирается на какие-либо модельные представления о микроскопической структуре вещества. Он устанавливает связи между непосредственно наблюдаемыми физическими величинами, характеризующими состояние системы, такими как давление P, объем V, температура t, концентрация раствора x и т.п. Этот метод является феноменологическим, т.е. описательным. Микроскопические физические величины, как, например, размеры атомов и молекул, их массы и количества в термодинамике не рассматриваются. Это обстоятельство делает ее довольно трудной для усвоения студентами и использования для решения конкретных физических задач. В то же время термодинамический метод обладает большой логической простотой и позволяет с общих позиций разобраться в физической сути целого ряда задач, не требуя сведений о микроскопической структуре вещества. В этом состоит неоценимое преимущество феноменологического подхода.

С другой стороны термодинамический метод обладает и существенным недостатком: при его использовании не рассматривается внутренний, атомно- молекулярный механизм явлений. Рассмотрение этого механизма и составляет задачу статистической механики. В отличие от термодинамического, статистический метод основан на модельных представлениях об атомно-молекулярной структуре вещества. Его основная задача состоит в том, чтобы устанавливать законы поведения макроскопических тел, исходя из законов движения составляющих эти тела микроскопических частиц. Статистический метод обладает меньшей общностью, чем термодинамический. Выводы статистической механики справедливы лишь в той степени, в какой справедливы сделанные предположения о поведении микроскопических частиц. Преимущество статистического метода заключается в том, что он позволяет решать задачи, в принципе неразрешимые в рамках термодинамики. Так, статистический метод позволяет находить уравнение состояния и теплоемкость конкретных макроскопических систем. Он дает строгое обоснование законов классической термодинамики и в то же время устанавливает границы их применимости. Он предсказывает существование флуктуаций и позволяет определить их величину.

Из сказанного следует, что и термодинамика и статистическая механика не имеют четко ограниченной области изучаемых явлений, а представляют методы изучения макроскопических систем. Этим статистическая физика отличается от механики, электродинамики, оптики и других разделов физики. Методами статистической термодинамики можно изучать любые системы, состоящие из большого числа частиц: газы, жидкости, твердые тела, плазму, электромагнитное излучение и т.д.

Настоящее пособие представляет первую часть курса статистической физики – термодинамику. Оно составлено, следуя в большой степени книге Э. Ферми "Термодинамика", которая является одним из лучших учебников по этому предмету. На русском языке книга была опубликована в 1970 году в издательстве Харьковского университета и, к сожалению, давно стала библиографической редкостью. В то же время студенты нуждаются в простом и лаконичном учебнике. Этот пробел и призвано восполнить настоящее пособие.