Что называется макроскопической системой
§ 19. Макроскопическая система и характеристики её состояния
Макроскопическая система
1. Любое тело — твёрдое, жидкое, газообразное — состоит из огромного числа частиц, которые находятся в непрерывном, хаотическом движении и взаимодействуют между собой.
Тела, состоящие из очень большого числа частиц: атомов, молекул, ионов, называют макроскопическими телами или макроскопическими системами. Примерами макроскопических систем могут служить газ в баллоне, жидкость в сосуде, твёрдое тело.
Раздел физики, в котором изучают физические свойства макроскопических тел (макроскопических систем) в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их внутреннего (молекулярного) строения, называют молекулярной физикой.
Состояние макроскопической системы
2. Напомним, что в механике объектом, изменение состояния которого исследуется, является механическая система (материальная точка или весьма небольшое их число). Состояние механической системы характеризуется параметрами состояния, к которым относятся координата и импульс. При изменении состояния системы параметры изменяются. Их значение в любой момент времени можно однозначно определить, если известны параметры начального состояния системы и закон их изменения (кинематические уравнения движения, законы Ньютона).
Тепловые явления также связаны с изменением состояния макроскопических тел. Например, если поставить на включённую плиту сосуд с водой, то состояние системы «сосуд—вода» начнёт изменяться: через некоторое время сосуд и вода нагреются, их объёмы увеличатся. Если быстро сжать газ в цилиндре, то его состояние тоже изменится: объём газа уменьшится и он нагреется.
Из рассмотренных примеров видно, что состояние макроскопической системы так же, как и механической, характеризуется определёнными параметрами. Такими параметрами являются объём, давление, температура. Они характеризуют состояние макроскопической системы как целого, поэтому их называют макроскопическими параметрами состояния системы.
Вместе с тем вам известно, что температура макроскопической системы связана со скоростью движения её молекул: чем больше скорость движения молекул, тем выше температура. Со скоростью движения молекул связано и давление газа на стенки сосуда; оно также зависит от массы молекул. Таким образом, значения макроскопических параметров связаны с характеристиками частиц, составляющих макроскопическую систему.
Что называется макроскопической системой
ГЛАВА ПЕРВАЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1. Макроскопическая система
Под макроскопической системой понимается совокупность тел любой физико-химической природы, которая полностью характеризуется некоторым числом не зависящих друг от друга макроскопических параметров.
-Если какую-нибудь совокупность тел принять за интересующую нас систему, то все остальные материальные тела будут являться внешними по отношению к этой системе.
Все системы можно разделить на системы изолированные и неизолированные. Система не изолирована, если она находится в каком-либо взаимодействии с окружающей средой. Взаимодействие между системой и окружающей средой заключается в обмене теплотой и работой. Если на систему воздействует, кроме внешнего давления, еще электрическое и магнитное поля, то внешняя работа над системой будет выражаться в сжатии системы, а также в ее поляризации и намагничивании тел.
Если теплота не входит в систему и не уходит из нее, т. е. система и окружающая среда не обмениваются теплотой, то такая система изолирована от окружающей среды в тепловом отношении. В этом случае говорят об адиабатной оболочке, т. е. оболочке, не допускающей теплообмена между рассматриваемой системой и внешней средой. Если же система и окружающие тела обмениваются теплотой, а работа сжатия или расширения системы не совершается (например, охлаждение или нагревание системы при постоянном объеме), то такие системы будут изолированными в механическом отношении.
Система называется изолированной, если она не взаимодействует с окружающими телами.
Макроскопическая система и характеристики её состояния
Методы изучения макроскопических систем
3. Движение и взаимодействие материальных точек в механике описывается законами Ньютона. В газе объёмом 1 м 3 при нормальных условиях содержится 1025 молекул, а в таком же объёме твёрдых и жидких тел — порядка 10 28 молекул. Движение каждой отдельной частицы вещества приблизительно можно описать с помощью законов Ньютона, однако учесть все взаимодействия, в которых участвует данная частица, практически невозможно. Поэтому состояние каждой частицы макроскопической системы в тот или иной момент времени случайно: случайны её положение, значение и направление скорости. Следовательно, использовать для анализа макроскопических систем тот метод, который использовался в механике, не представляется возможным.
В основе молекулярной физики лежат две теории: термодинамика и молекулярно-кинетическая теория строения вещества. Эти теории используют разные, но взаимно дополняющие друг друга методы описания тепловых явлений и тепловых свойств тел и веществ: термодинамический и статистический.
Описание состояния и свойств макроскопической системы с помощью макроскопических параметров, которые часто называют термодинамическими, является задачей термодинамического метода. Он опирается на данные наблюдений и опытов и описывает явления и свойства макроскопических систем, связанные с превращением энергии, не рассматривая их внутреннее строение.
Поскольку свойства макроскопической системы зависят от её внутреннего строения, характера движения и взаимодействия входящих в неё частиц, использование лишь термодинамического метода не позволяет эти свойства объяснить.
При использовании статистического метода исходят из того, что все вещества состоят из непрерывно хаотически движущихся частиц. При этом моделируют внутреннее строение вещества и предсказывают свойства системы, вытекающие из построенной модели. Математическую основу статистического метода составляет теория вероятности.
Уже говорилось, что состояние любой частицы, входящей в макроскопическую систему, в данный момент времени случайно. Однако оно может быть предсказано с определённой вероятностью.
При использовании статистического метода описания свойств макроскопических систем оперируют средними значениями величин. Так, характеризуя концентрацию молекул в сосуде, имеют в виду среднее число частиц в единице объёма. Устанавливая связь между температурой тела и скоростью движения его молекул, учитывают среднюю скорость, среднюю кинетическую энергию движения частиц.
Макроскопических систем
Статистический и термодинамический методы описания свойств
Лекция 1
Модуль 2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
В этом разделе рассматриваются системы, состоящие из огромного числа частиц (атомов, молекул), находящихся в тепловом движении. Для описания таких систем вводят следующие понятия.
Термодинамические (макроскопические) параметры— это величины, которые описывают состояние системы, не рассматривая ее внутреннее строение. К ним относят такие параметры, как температура, давление, объем и т.д.
Макросостояние системы – это такое состояние системы, которое определяется заданием ее термодинамических параметров.
Микросостояние системы – это состояние системы, определяемое заданием координат и скоростей (импульсов) всех частиц системы.
Равновесным является такое состояние изолированной системы, в которое она переходит по истечении достаточно большого промежутка времени (в начальный момент времени состояние системы было неравновесным). Это время называют временем релаксации.
Идеальный газ– газ, частицы которого на расстоянии не взаимодействуют, а при столкновениях ведут себя как упругие шары; собственный объем частиц значительно меньше объема, занимаемого газом.
Для систем, состоящих из огромного числа частиц, находящихся в тепловом движении, наряду с механической формой движения материи появляется новая тепловая форма движения. Это можно подтвердить следующими фактами:
1) у системы появляются новые свойства (макропараметры, такие как давление, температура, электрическое сопротивление и т.д.), которыми не обладают отдельные частицы;
2) система забывает свои предыдущие состояния. Например, какое-либо равновесное состояние газа можно получить различными способами, и по конечному состоянию газа нельзя определить, какой из них был реализован. Этим тепловая форма движения материи существенно отличается от механической формы движения (в механике конечное состояние тела однозначно связано с его начальным состоянием);
3) состояние отдельной частицы не оказывает влияния на макроскопическое состояние системы. Так, например, давление газа в равновесном состоянии остается постоянным, хотя скорость какой-либо частицы из-за теплового движения постоянно изменяется.
Все это свидетельствует о том, что в этом разделе необходимо использовать другие подходы (термодинамический и статистический подходы) к описанию свойств макросистемы.
Кратко изложим суть статистического подхода, схема реализации которого приведена на рис. 2.1.
Для системы, находящейся в равновесном состоянии, из-за хаотичности теплового движения имеется большой набор случайных значений скоростей и координат частиц. Оказывается, что на огромной совокупности случайных значений скоростей, координат, кинетических энергий, потенциальных энергий отдельных частиц (первый блок на рис. 2.1) появляются строгие статистические закономерности, которые выражаются функциями распределения частиц по модулю их скоростей 
, по координатам 
, кинетическим
, потенциальным энергиям
и т.д. (второй блок на рис. 2.1).
Знание этих функций распределения позволяет оценить средние свойства частиц, т.е. свойства, усредненные по всей совокупности частиц (третий блок на рис. 2.1). Средние свойства частиц характеризуют всю совокупность частиц в целом. Если, например, говорят, что скорость частиц с повышением температуры возрастает, то под этим подразумевают средние скорости частиц.
Далее знание средних характеристик частиц позволяет получить макроскопические свойства системы (четвертый блок на рис. 2.1).
В термодинамическом подходе при описании свойств системы ее внутреннее строение не рассматривается, а все основные выводы о поведении систем делаются на основе трех начал (законов) термодинамики. Эти законы термодинамики являются постулатами (недоказуемыми утверждениями), они обобщают опытные данные. В связи с этим выводы термодинамики являются достоверными и не подвергаются сомнению.
В последующем изложении рассмотрим подробно отдельные этапы применения статистического подхода. Причем сначала будут рассматриваться системы классических частиц, т.е. частиц, для которых волновые свойства не сказываются на их движении.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
§ 19. Макроскопическая система и характеристики её состояния (окончание)
То, что состояние частиц макроскопической системы в определённые моменты времени носит случайный характер, не означает, что их движение не подчиняется никаким законам. В отличие от законов динамики, оно описывается законами, называемыми статистическими.
Так, хотя скорости и энергии частиц в некоторый момент времени различны и случайны, имеет место вполне определённое распределение частиц по скоростям и энергиям: у большинства частиц значение скорости близко к некоторому значению, называемому наиболее вероятным. Важно, что статистические законы справедливы для систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся частиц.
Следует заметить, что статистический метод впервые был использован для описания тепловых явлений. В настоящее время он применяется при изучении электрических и магнитных свойств газов, жидкостей и твёрдых тел, в атомной и ядерной физике, при объяснении распространения электромагнитных волн и т. п. По выражению одного из крупнейших немецких физиков-теоретиков, Макса Борна (1882—1970), «современная физика полностью опирается на статистическую основу».
Вопросы для самопроверки
1. Что является отличительным признаком макроскопической системы? Приведите примеры таких систем.
2. Чем отличается макроскопическая система от механической?
3. Почему нельзя описать свойства макроскопической системы, используя законы Ньютона?
4. Почему объём является макроскопическим параметром состояния макроскопической системы? Какие ещё макроскопические параметры вам известны?
5. В чём сущность термодинамического и статистического методов описания состояния и свойств макроскопических систем?
6. Какими значениями величин пользуются при статистическом описании свойств макроскопических систем?