Объектом изучения в этом учебном пособии являются системы, состоящие из очень большого числа частиц (молекул, атомов, электронов, фотонов и др.). Примером может служить газ. Такие системы принято называть макросистемами.

Казалось бы, поведение таких систем можно рассматривать на основе законов классической механики. Однако для этого пришлось бы составить такое грандиозное число уравнений, что становится сразу ясно, что практически подобный путь несостоятелен (даже если бы частицы подчинялись классическим законам, имели бы точно известные начальные условия и двигались бы по траекториям).

Но именно колоссальное число частиц в системе привело к разработке двух радикально отличающихся друг от друга методов изучения макросистем – термодинамики и молекулярной (статистической) физики.

Термодинамика (или общая теория теплоты) является постулативной наукой. Её не интересуют конкретные представления о строении системы (вещества) и физическая природа самой теплоты. При таком подходе используют понятия и физические величины, относящиеся к системе в целом. Например, идеальный газ в состоянии равновесия характеризуют объемом, давлением и температурой.

Выводы термодинамики основаны на общих принципах или. началах, которые представляют собой обобщение опытных фактов.

В отличие от термодинамики, молекулярная (статистическая) физика исходит из представлений о молекулярном строении вещества. То обстоятельство, что число частиц в макросистеме весьма велико, приводит к новому типу закономерностей, имеющих статистический, т.е. вероятностный характер. На основе этих представлений молекулярная физика раскрывает физическую природу величин, которыми оперирует термодинамика. А именно, молекулярная физика позволяет объяснить наблюдаемые свойства макросистем как суммарный эффект действий отдельных молекул (на основе определенных моделей). При этом используется статистический метод, который интересует не действия отдельных молекул, а средние значения определенных величин. С помощью них, средних величин, открывается возможность интерпретации наблюдаемых величин.

Молекулярная физика должна основываться на законах, которым подчиняются атомы и молекулы. Это законы квантовой физики. Без знания этих законов достаточно корректное изложение современной молекулярной физики оказывается незаконченным и, значит, методически неоправданным. Поэтому мы будем предполагать, что читатель уже познакомился с основными представлениями квантовой теории. Но при необходимости нужные сведения будем все же напоминать.

Поскольку термодинамика и молекулярная физика изучают один и тот же объект – макросистемы, – только разными методами, то мы в целях большей простоты и ясности изложения и понимания будем привлекать оба метода как взаимно дополняющие друг друга.

Итак, термодинамический и статистический методы изучения макросистем дополняют друг друга. Термодинамический метод характеризуется своей общностью и позволяет изучать явления без знания их внутренних механизмов (и моделей). Статистический же метод позволяет понять суть явлений, установить связь поведения системы в целом с поведением и свойствами отдельных частиц. Их комбинированное применение способствует наиболее эффективному решению той или иной научной проблемы.