В разделе физическая термодинамика курса общей физики нами будут рассмотрены методы описания физических систем, состоящих из очень большого числа частиц. Как правило (но не всегда), это макросистемы, состоящие из микрочастиц. Макросистема – система, имеющая массу, сравнимую с массой предметов и тел, окружающих нас. Микрочастица – частица, имеющая массу, сравнимую с массой атомов. Например, в одном литре воды содержится 3,3*10²⁵ молекул, в одном кубометре атмосферного воздуха - 2,5*10²⁵ молекул. Количество частиц в других окружающих нас макросистемах по порядку величины близко к указанным значениям, и поэтому для их описания необходимо применять методы, учитывающие “очень большое число” составляющих их микрочастиц.

Для описания макросистем могут быть применены три метода: на основе применения законов механики, с использованием законов статистической физики и термодинамики.

При применении законов классической механики для описания динамики большого числа взаимодействующих микрочастиц возникает несколько проблем. Во-первых, такое описание требует составления и решения большого числа дифференциальных уравнений (более 10²⁶ для одного литра воды или одного кубометра атмосферного воздуха), 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, движение всех частиц может быть описано 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 и неопределённости начального положения (включая неопределенность, связанную с запретами квантовой механики), приводит к возникновению необратимости, характерной 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.

Статистический метод описания основывается на применении законов теории вероятностей, а в качестве основной применяемой функции выступает функция распределения. При этом не требуется знания характера соударения микрочастиц, их начальных условий движения и точного решения уравнений динамики всех микрочастиц. В этом случае обычно ограничиваются нахождением функции распределения одной микрочастицы и считают, что функции распределения всех микрочастиц идентичны. Все наблюдаемые параметры макросистемы определяются путем нахождения средних значений динамических переменных микрочастиц. Например, скорость течения газа можно найти как среднее значение скоростей всех его молекул. Если функция распределения макросистемы не зависит от времени, то описанием такого состояния занимается статистическая физика равновесных состояний.

Статистический метод позволяет получить описание не только равновесных состояний макросистемы, но и найти характер её изменения с течением времени. Для этого применяется кинетическое и гидродинамическое описания макросистем.

Кинетическое описание макросистемы может быть получено путём огрубления, заключающегося в усреднении на промежутках времени, порядка времени хаотизации микрочастиц, которое для газов имеет величину порядка длительности соударения молекул между собой. Такое огрубление дает возможность на основе уравнений динамики микрочастиц получить кинетические уравнения, описывающие эволюцию с течением времени функции распределения. Применение кинетических уравнений позволяет достаточно точно решать целый ряд практически важных задач при исследовании кинетических процессов в газе, плазме и различных конденсированных средах. При этом уравнения физической кинетики применимы для описания необратимых процессов.

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 таком описании составляются уравнения для средних значений динамических параметров среды (скорости течения, температуры, плотности и т. д.). В указанные уравнения входят также 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 средняя 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 методом описания макросистем является термодинамический метод, при котором удаётся получить законы, применение которых возможно для любых макросистем, независимо от конкретной физической природы микрочастиц.

Термодинамический метод заключается в формулировке основных постулатов, которые называются началами термодинамики. Эти начала являются обобщением накопленного эмпирического материала. Справедливость их подтверждается только опытным путем, при сравнении предсказаний термодинамики и экспериментальных данных. В этом отношении термодинамика использует те же методы, что и классическая механика Ньютона. В классической механике вводятся основные постулаты (законы Ньютона), которые являются теоретическим обобщением экспериментальных данных и из которых затем формулируются следствия. Причем справедливость этих следствий основана на справедливости основных постулатов.

В силу того, что основные законы сформулированы на основе экспериментов, выполненных в условиях определенных ограничений, область их применения также ограничена. 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 макросистемы, находящиеся в состояниях, близких к состоянию равновесия, и переходы между ними, протекающие почти равновесно. Такая равновесная термодинамика была в основном разработана в XIX 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, появился новый раздел механики – релятивистская механика, описывающая тела, движущиеся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Схема построения релятивистской механики аналогична схеме построения классической механики – изменяются только основные постулаты и, соответственно, их следствия. Подобным же образом выглядит переход от равновесной к неравновесной термодинамике.

Однако даже классическая равновесная термодинамика достаточно хорошо описывает большинство термодинамических систем, окружающих нас. Поэтому, как классическая механика, так и равновесная термодинамика, в обязательном порядке включаются в курс общей физики и являются базой для дальнейшего изучения механики и термодинамики. Но в современный курс общей физики необходимо также и включение первоначальных знаний из неравновесной термодинамики, что и было сделано в этой книге.