IV. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

1. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД, МЕТОД СТАТИСТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД

При объяснении свойств вещества, при отыскании законов, которым подчиняются различные превращения его, можно пользоваться одним из трех методов, применяемых в настоящее время в физике. Эти методы построения физической теории называют: молекулярно-кинетическим методом, методом статистической механики и термодинамическим методом.

Молекулярно-кинетический метод, который использовался в предыдущих главах, основывается на модельном представлении о строении вещества. Принимается, что вещество состоит из атомов и молекул, находящихся в непрерывном движении. Для объяснения каких-либо свойств вещества детально анализируется поведение отдельно взятой молекулы. При этом анализе предполагается, что движение атомов и молекул подчиняется законам классической механики. Выводы, полученные применительно к отдельной молекуле, переносятся в дальнейшем на совокупность большого количества молекул. Именно таким образом находилось выше молекуляр-но-кинетическое выражение для давления газа, теплоемкости, коэффициента внутреннего трения и т. п.

Преимуществом этого метода является ясная картина механизма рассматриваемого явления, проникновение непосредственно в сущность различных процессов природы. Эта особенность молеку-лярно-кинетического метода обусловливает и его основной недостаток — приближенный характер полученных соотношений и их чрезвычайное усложнение при попытке более строгого рассмотрения вопроса.

Более общим является метод статистической механики. В статистической механике не рассматривается поведение отдельной молекулы. В этом случае исследователь имеет дело с большой совокупностью частиц, движение каждой из которых подчиняется законам классической механики, но одновременно является событием

случайным в том смысле, что скорости движения и соударения молекул подчиняются законам теории вероятностей. Выводы статистической механики неприменимы к совокупностям небольшого числа молекул. В этом случае будут наблюдаться отклонения, возрастающие по мере уменьшения числа молекул. В статистической механике, хотя и в более общей форме, чем в молекулярно-кинетическом методе, анализируется механизм изучаемых явлений.

Термодинамический метод в отличие от первых двух полностью исключает рассмотрение механизмов изучаемых процессов. В качестве основы термодинамических выводов используются наиболее общие законы природы, которые называют началами.

Начала термодинамики не обосновываются логически. Они являются обобщением человеческого опыта и подтверждаются практической деятельностью человека. Используя методы математического анализа, можно, опираясь на основные законы термодинамики, получить очень большое количество соотношений между различными свойствами вещества. Например, соотношение между теплоемкостью вещества при постоянном давлении и теплоемкостью вещества при постоянном объеме или соотношение между теплоемкостью вещества и давлением и т. п. Эти соотношения будут столь же точны, сколь точны основные законы термодинамики.

Однако термодинамическим выводам свойственны и существенные недостатки: термодинамический метод позволяет установить только соотношения между различными свойствами вещества, но не дает возможности количественно охарактеризовать эти свойства. Так, например, точно устанавливая соотношение между теплоемкостями термодинамический метод не дает возможности определить величину теплоемкости или Для вычисления теплоемкости необходимо прибегнуть к молекулярно-кинетической теории.

Кроме того, термодинамический метод не дает возможности найти уравнение состояния, знание которого необходимо для большинства расчетов.

Правда, в практической деятельности этот недостаток можно преодолеть, используя определенные экспериментально значения одних свойств вещества, для того чтобы с помощью строгих термодинамических соотношений найти значения других свойств вещества. Этим объясняется широкое использование термодинамических расчетов в различных отраслях техники.