В этом томе представлены четыре раздела курса общей физики: термодинамика, молекулярная физика, статистическая физика и физическая кинетика. Что общего у этих разделов? Это объект, который они описывают - системы, состоящие из очень большого числа частиц. Как правило (но не всегда), это макросистемы, состоящие из микрочастиц. Отсюда мы можем оценить, что означает "очень большое число". Макросистема - система, имеющая массу, сравнимую с массой предметов, окружающих нас. Микрочастица - частица, имеющая массу, сравнимую с массой атомов. Взяв первую равной 1 грамму, а вторую - одной атомной единице массы, получим, что их отношение равно 6.02*10²³. Это число называется числом Авогадро (обозначается N_A) и является одной из фундаментальных констант физики. Таким образом, перечисленные выше четыре раздела физики описывают системы с числом частиц порядка N_A или превышающую его.

   Для описания макросистем, состоящих из большого числа микрочастиц могут быть применены три метода: описание с использованием законов механики, кинетическое описание и термодинамическое (гидродинамическое) описание.

   При применение законов классической механики для построения описания динамики большого числа взаимодействующих микрочастиц возникает несколько проблем. Во-первых, такое описание требует составления и решения большого числа дифференциальных уравнений (более 10²⁴ для одного моля веществ) описывающих движение каждой микрочастицы. При этом необходимо точное знание характера взаимодействия частиц, что зачастую достаточно сложно установить, так как это требует соответствующих экспериментальных измерений силы взаимодействия отдельных микрочастиц (например, молекул газа или жидкости). Во-вторых, даже в случае построения указанных уравнений движения всех частиц возможно описать только в том случае, если известны все их начальные координаты и скорости. В-третьих, как показывают последние исследования, даже в системе из трёх частиц, при их нелинейном взаимодействии возникают так называемые точки бифуркации, при прохождении которых дальнейшие движения частиц становятся непредсказуемыми. В частности наличие точек бифуркации неопределённости начального положения (включая неопределенность, связанную с запретами квантовой механики), приводит к возникновению необратимости, свойственной для макросистем, несмотря на полную обратимость уравнений механики. Указанные обстоятельства делают использование первого метода описания достаточно затруднительным, и его применение обычно ограничивается модельными задачами для ограниченного числа частиц.

   Статистическое описание поведения макросистем может быть получено путём огрубления описания, заключающегося в усреднении на промежутках времени порядка времени хаотизации микрочастиц (для газов это промежуток времени порядка длительности соударения молекул). При таком огрублении возникает возможность построения приближённого описания, не требующего точного знания характера соударения микрочастиц, их начальных условий движения и точного решения уравнения динамики всех микрочастиц. В этом случае обычно ограничиваются нахождением эволюции функции распределения одной микрочастицы и считается, что функции распределения всех микрочастиц идентичны. Статистическое описание позволяет решить достаточно точно целый ряд практически важных задач, при исследовании кинетических процессов в газе, плазме и различных конденсированных средах. При этом уравнения физической кинетики позволяют описывать необратимые процессы. Рассмотрению статистического метода будут посвящены последние главы книги.

   При выполнении огрубления, заключающегося в усреднении на промежутках порядка времени релаксации микрочастиц ( для газов это промежуток времени порядка длительности свободного пробега молекул), может быть осуществлен переход к гидродинамическому описанию. При этом описании составляются уравнения для средних значений динамических параметров среды (скорости течения, температуры, плотности и т. д.) при этом в указанные уравнения входят кинетические коэффициенты (коэффициенты переноса), такие, как коэффициенты вязкости, теплопроводности, диффузии и т. д. Отличительной особенностью кинетических коэффициентов от динамических параметров является отсутствие у них микроскопического аналога. Действительно, если для температуры таким микроскопическим аналогом является кинетическая энергия микрочастицы, то коэффициент теплопроводности полностью теряет какой-либо физический смысл при переходе к описанию одной микрочастицы. Гидродинамическое описание является более грубым чем кинетическое, но его проведение существенно проще, что определяет сферу применения уравнений гидродинамики.

   Наиболее общим описанием макросистем является термодинамическое, при котором удаётся получить общие законы, применение которых возможно для любых макросистем, независимо от конкретной физической природы микрочастиц.

   Термодинамический подход заключается в формулировке основных постулатов (начал термодинамики), которые являются обобщением накопленного эмпирического материала. Справедливость их подтверждают только экспериментально, а затем на основании этих законов делают выводы. В этом отношении термодинамика пользуется теми же методами, что и классическая механика Ньютона, где формулируются основные аксиомы (законы Ньютона), которые проверяются экспериментально и из которых затем формируются следствия, справедливость которых основана на справедливости основных постулатов. Поэтому мы включили термодинамику в качестве первого раздела этого курса, так чтобы она следовала сразу за классической механикой, излагаемой в предыдущем томе.

   В силу того, что основные законы могут быть проверены экспериментально только в ограниченных условиях, они имеют ограниченную область применения. Пока эта область удовлетворяет потребностям развития науки и техники, соответствующий раздел физики развивается в рамках тех основных законов, которые были сформулированы. Когда это условие нарушается, появляются новые законы, которые применимы в новой области, но при этом не должны противоречить уже имеющимся.

   Термодинамика, излагаемая ниже, описывает термодинамические системы, находящиеся в состояниях, близких к состоянию равновесия, и переходы между ними, протекающие почти равновесно. Такая термодинамика была в основном разработана в Х1Х веке. Однако, в ХХ столетии начали бурно развиваться методы неравновесной термодинамики, описывающей системы в состояниях, заметно отличающихся от состояния равновесия. Аналогичный процесс наблюдался и в механике. Когда область применения классической механики Ньютона (область малых скоростей и энергий) перестала удовлетворять потребностям человечества, появился новый раздел механики - релятивистская механика, описывающая системы со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Схема построения релятивистской механики аналогична схеме построения классической механики - изменяются только основные постулаты и, следовательно их следствия. Подобным же образом выглядит переход от равновесной термодинамики к неравновесной термодинамике.

   Однако даже классическая равновесная термодинамика достаточно хорошо описывает большинство термодинамических систем, окружающих нас. Поэтому как классическая механика, так и равновесная термодинамика, обязаны быть представлены в курсе общей физики и являются базой для дальнейшего изучения механики и термодинамики.