Основные характеристики (макропараметры) равновесного макросостояния и его термодинамическое описание на основе начал (законов) равновесной термоднамики

В механике и электродинамике изучались системы, начальное состояние которых в некоторый момент времени t=t1 однозначно определяет все последующие состояния при t>t1, если заданы законы движения и внешние условия. Такие системы называются динамическими, а закономерности их движения – динамическими закономерностями. В этом случае физические характеристики движения однозначно связаны между собой для всех моментов времени посредством дифференциальных уравнений. Динамические закономерности определяют причинно - следственные отношения в классической механике и классической электродинамике.

Опыт показывает, что существует системы, поведение которых не описывается динамическими закономерностями. Наблюдаемые состояния таких систем являются случайными событиями, которые при одинаковых условиях могут либо произойти, либо не произойти. В этом случае говорят о статистических закономерностях, основу которых составляет понятие вероятности случайного события. Понятие вероятности связывает потенциальные возможности системы с реализуемыми состояниями этой системы при заданных условиях.

Основы теории вероятностей были заложены в XVII – XVIII вв. работами Б. Паскаля, Я. и Д. Бернулли, П. Лапласа, Л. Эйлера и других учёных в связи с задачей описания массовых явлений, в которых участвует большое число одинаковых объектов. Теория вероятностей широко используется в условиях неполноты информации, для расчёта движения сложных и больших систем, а также для приближенного описания движения нелинейных систем. На теории вероятностей построена квантовая физика.

Наше рассмотрение относится к частному случаю системы, состоящей из большого числа одинаковых частиц. В классической механике полное описание состояния такой системы заключается в задании радиус – векторов img001 и скоростей img002 всех частиц системы

Совокупность величин (1.1) определяет микросостояние системы частиц, а сами величины, описывающие состояние отдельной частицы, называются микропараметрами.

В случае img005 точно определить микросостояние практически невозможно и необходимо использовать приближённые методы. Таким приближённым методом является усреднённое описание. Возможны различные способы усреднения: 1) по числу частиц, 2) по времени, 3) по ансамблю возможных микросостояний. Усреднённые характеристики больших систем называются макропараметрами. Макропараметры описывают систему в целом и задают её макросостояние. Очевидно, что в результате усреднения теряется значительный объем информации о микросостоянии.

Пусть система из img006 одинаковых частиц удерживается в некоторой области пространства объёмом V с помощью сосуда. Для описания движения частиц используется инерциальная система отсчёта, в которой центр масс системы покоится. При этом система не вращается как целое. В термодинамическом пределе, когда поверхностными эффектами можно пренебречь и учитывать единственную геометрическую характеристику области – её объём V. В дальнейшем все системы частиц рассматриваются в термодинамическом пределе.

Согласно опыту любая замкнутая система, состоящая из большого числа взаимодействующих частиц, с течением времени самопроизвольно переходит в особое конечное состояние, которое называется термодинамическим равновесием. Состояние термодинамического равновесия является устойчивым относительно малых возмущений как начальных условий, так и самого конечного состояния. Вывод о существовании равновесного состояния термодинамической системы иногда называют нулевым началом термодинамики.

Следует отметить, что переход системы в состояние термодинамического равновесия не может быть описан только на основе законов механического движения отдельной частицы. Иными словами, временная динамика такой системы частиц в целом имеет качественные отличия от динамики отдельной частицы.

В состоянии термодинамического равновесия частицы совершают особое движение, которое называется тепловым. Тепловое движение сложных составных частиц может быть поступательным, вращательным и колебательным. Интенсивность любого теплового движения характеризуется с помощью макроскопической величины, называемой температурой. В состоянии термодинамического равновесия температура T одинакова для всех макроскопических частей системы (условие теплового равновесия), что обеспечивает отсутствие теплообмена между макроскопическими частями системы. В Международной системе единиц СИ температура измеряется в кельвинах (K).

Термодинамическое равновесие кроме теплового равновесия включает в себя также механическое равновесие макроскопических частей системы, при котором давление во всех этих частях одинаково и отсутствует относительное движение макроскопических элементов системы. Давление есть нормальная компонента силы, действующей на единичную площадку. С молекулярной точки зрения давление обусловлено поступательным движением частиц и их силами взаимодействия. Давление является макроскопической величиной, характеризующей систему в целом. В СИ единица давления паскаль (П), равная Н/м2.

Наконец, в состоянии термодинамического равновесия химические реакции протекают таким образом, что химический состав системы сохраняется неизменным и наблюдается химическое равновесие. В итоге, термодинамическое равновесие есть совокупность трёх равновесий: теплового, механического и химического.

Термодинамика есть наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем произвольной физической природы, находящихся в равновесном состоянии, а также о процессах перехода между различными равновесными состояниями. Это феноменологическая наука, построенная на очень небольшом числе принципов, называемых началами термодинамики и являющихся обобщением опыта. Термодинамика как наука возникла под влиянием технических запросов первой половины XIX в., связанных с разработкой тепловых машин. В настоящее время законы термодинамики охватывают все формы существования материи и описывают не только физические, но и химические, биологические и информационные процессы. Законы термодинамики справедливы как в классической, так и в квантовой физике. Теоретическую основу современной термодинамики составляет статистическая физика, методы которой позволяют связать свойства микросостояний системы с её макроскопическими характеристиками.