2. Статистический метод состоит в изучении свойств макроскопических систем на основе анализа, с помощью методов математической теории вероятностей, закономерностей теплового движения огромного числа микрочастиц, образующих эти системы.
3. Термодинамический метод состоит в изучении свойств системы взаимодействующих тел путем анализа условий и количественных соотношений происходящих в системе превращений энергии. Эти вопросы изучаются в разделе теоретической физики, называемом термодинамикой (феноменологической термодинамикой).
Термодинамический метод, в отличие от статистического, не связан с какими-либо конкретными представлениями о внутреннем строении тел и характере движения образующих их частиц. Термодинамика оперирует с макроскопическими характеристиками изучаемых ею объектов, основываясь на нескольких экспериментально установленных положениях законах (началах) термодинамики, которые обладают весьма большой общностью. Поэтому термодинамический метод используется для теоретического анализа общих закономерностей самых разнообразных явлений.
4. Термодинамической системой называется совокупность макроскопических объектов (тел и полей), обменивающихся энергией в форме работы и в форме тепла как друг с другом, так и с внешней средой, т. е. с внешними по отношению к системе телами и полями.
Термодинамическая система называется замкнутой или изолированной, если отсутствует всякий обмен энергией между нею и внешней средой. Система называется изолированной в тепловом отношении или адиабатически изолированной, если отсутствует теплообмен между нею и окружающей средой. Термодинамическая система, обменивающаяся энергией с внешней средой только путем теплообмена, называется изолированной в механическом отношении.
5. Гомогенной называется термодинамическая система, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга макроскопические части системы, различающиеся по своим свойствам и составу. Термодинамическая система, не удовлетворяющая этому условию, называется гетерогенной. Гомогенными системами являются, например, смеси газов, жидкие и твердые растворы, а также всякое химически однородное тело, находящееся целиком в каком-либо одном агрегатном состоянии. Примерами гетерогенных систем являются тающий лед, влажный пар, многие сплавы и горные породы. Система называется физически однородной, если ее состав и физические свойства одинаковы для всех макроскопических частей этой системы, равных по объему. Примером такой системы может служить газ, на который не действует внешнее силовое поле.
Фазой называется совокупность всех гомогенных частей термодинамической системы, которые в отсутствие внешнего силового воздействия являются физически однородными. Например, влажный пар состоит из двух фаз — кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.
Компонентами (независимыми компонентами} термодинамической системы называются различные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз системы.
Раствором называется гомогенная система (твердая, жидкая или газообразная), состоящая из двух или большего числа химически чистых веществ. Один из компонентов раствора (обычно тот, который содержится в наибольшем количестве) называется растворителем, а остальные компоненты — растворенными веществами.
6. Состояние термодинамической системы определяется совокупностью значений ее термодинамических параметров (параметров состояния) — всех физических величин, характеризующих макроскопические свойства системы (ее плотность, энергию, вязкость, поляризацию, намагниченность и т. д.). Два состояния системы считаются разными, если для них численные значения хотя бы одного из термодинамических параметров неодинаковы. Состояние системы называется стационарным, если оно не изменяется во времени. Стационарное состояние системы называется равновесным, если его неизменность во времени не обусловлена протеканием какого-либо внешнего по отношению к системе процесса.
Термодинамические параметры системы взаимосвязаны. Поэтому равновесное состояние системы можно однозначно определить, указав значения ограниченного числа этих параметров. Основными параметрами состояния являются давление, температура и удельный (или молярный) объем.
В термодинамике различают внешние и внутренние параметры состояния системы. Внешними параметрами состояния называются параметры, зависящие только от обобщенных координат внешних тел, с которыми взаимодействует система. Примером внешнего параметра для газа является его объем, зависящий от положения внешних тел — стенок сосуда. Для газа, находящегося в гравитационном или каком-либо другом внешнем силовом поле, внешним параметром является также напряженность этого поля. Внутренними параметрами состояния называются параметры, зависящие как от обобщенных координат внешних тел, так и от усредненных значений координат и скоростей частиц, образующих систему. Внутренними параметрами являются, например, плотность и энергия системы.
7. Давлением называется физическая величина р, равная пределу отношения численного значения DFn нормальной силы, действующей на участок поверхности тела площадью DS, к величине DS при DS, стремящейся к нулю. В простом случае давление определяется как отношение нормальной силы к площади поверхности, на которую она действует:
p = Fn/S
Удельным объемом v называется величина, обратная плотности r: v = 1/r. Для однородного тела удельный объем равен отношению его объема к массе, т. е. численно равен объему элемента этого тела, масса которого равна единице.
Грамм-молекулой или молем (килограмм-молекулой или киломолем) называется такое количество химически однородного вещества, масса которого, выраженная в граммах (килограммах), численно равна его молекулярному весу m. Объем Vm одного моля вещества называется его молярным объемом.
Грамм-атомом (килограмм-атомом) называется такое количество химически простого вещества (элемента), масса которого, выраженная в граммах (килограммах), равна его атомному весу. Число молекул в грамм-молекуле и число атомов в грамм-атоме для всех веществ одинаковы. Это число называется числом Авогадро NA (NA = 6,023 · 1023 моль-1 = 6,023 · 1026 кмоль-1).
8. Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. В состоянии термодинамического равновесия системы температуры всех тел, образующих систему, одинаковы. Измерение температуры можно производить только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Применяемые для этого тела (вещества) называются термометрическими, а устанавливаемая с их помощью шкала температуры — эмпирической.
Основной недостаток эмпирических шкал температуры состоит в их зависимости от специфических особенностей конкретных термометрических веществ. В качестве исходных значений, служащих при построении шкалы температуры для установления начала отсчета температуры и единицы ее измерения — градуса, применяются температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, например температуры плавления льда (t0) и кипения воды (tк) при нормальном атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст. Величины t0 и tк в зависимости от типа шкалы имеют следующие значения:
а) Шкала Цельсия (стоградусная шкала): t0 = 0°С, tк = 100°С.
б) Шкала Фаренгейта: t0 = 32°F, tк = 212°F.
Связь между температурами, выраженными в градусах Цельсия и Фаренгейта, имеет вид:
t°С/100 = (t°F — 32)/180
в) Шкала Кельвина: температура T отсчитывается от абсолютного нуля (t°С =- 273,15°С) и называется абсолютной температурой. Связь между значениями температуры по шкале Кельвина (T °К) и шкале Цельсия (t °C) имеет вид:
T°К = t°С + 273, 15°С
9. Внутренние параметры термодинамической системы, находящейся в равновесном состоянии, зависят только от ее внешних параметров и от температуры:
yk = f (x1, x2, … xn, T) (*)
где yk — внутренний параметр, a x1, x2, … xn — внешние параметры. Например, равновесное состояние физически однородной термодинамической системы в соответствии с правилом фаз Гиббса полностью определяется двумя параметрами. Поэтому равновесное давление в этой системе является функцией ее объема и температуры (масса системы предполагается фиксированной):
p=f1(V, Т). (**)
10. Если в уравнении (*) yk представляет собой обобщенную силу, сопряженную какому-либо из внешних параметров x1, x2, … xn, то уравнение (*) называется термическим уравнением состояния системы (уравнением состояния системы). Например, уравнение (**) является термическим уравнением состояния физически однородной системы.
Уравнение (*), записанное для внутренней энергии U системы:
U = f2 (x1, x2, … xn, T)
называется калорическим уравнением состояния системы.
В термодинамике уравнения состояния исследуемой системы предполагаются известными из опыта. Теоретический вывод этих уравнений может быть осуществлен методами статистической физики.
11. Термодинамическим процессом называется всякое изменение состояния термодинамической системы. Равновесным (квазистатистическим) процессом называется термодинамический процесс, при котором система проходит непрерывный ряд равновесных состояний. Круговым процессом или циклом называется термодинамический процесс, в результате совершения которого система возвращается в исходное состояние.
Изопроцессами называются термодинамические процессы, протекающие при неизменном значении какого-либо параметра состояния. Изохорнмм (изохорическим) процессом называется термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме системы. Изобарным (изобарическим) процессом называется термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении. Изотермическим (изотермным) процессом называется термодинамический процесс, протекающий при постоянной температуре.
Адиабатным (адиабатическим) процессом называется термодинамический процесс, осуществляемый системой без теплообмена с внешними телами.
12. Функцией состояния называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса, а целиком определяется значениями параметров начального и конечного состояний. Важнейшими функциями состояний являются внутренняя энергия U, энтальпия H, энтропия S, изохорно-изотермный потенциал F и изобарно-изотермный потенциал F.
Экстенсивными величинами называются функции состояния термодинамической системы, зависящие от ее массы. Таковы, например, перечисленные выше функции. В уравнениях термодинамики часто используют значения экстенсивных величин, отнесенные либо к единице массы системы, либо к одному молю.
Интенсивными величинами называются функции состояния термодинамической системы,, не зависящие от ее массы Таковы, например, температура, плотность, вязкость, диэлектрическая проницаемость и т. д.
13. Равновесные состояния физически однородной системы и совершаемые ею равновесные процессы можно изображать графически соответственно точками и кривыми на плоскости с прямоугольными декартовыми координатами, вдоль осей которых откладываются параметры состояния системы или однозначно связанные с ними функции состояния. Такое графическое изображение называется термодинамической диаграммой. Наиболее распространенными являются диаграммы V — р, s — Т, s — H и др. (первый символ указывает величину, откладываемую по оси абсцисс, второй — по оси ординат).