ЧАСТЬ 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ.

§20. Динамические и термодинамические (статистические) системы.

Нами рассмотрена механика движения материальной точки, системы материальных точек, твердого тела. Динамика этих систем изучается на основе Второго закона Ньютона или его обобщений. Отмечено, что для решения основной задачи динамики одной материальной точки в общем случае надо записать три уравнения движения (или одно векторное уравнения, что то же самое) и задать шесть начальных условий. Обычно указывают начальные значения координат и скоростей, . Если материальных точек , надо записать уравнений движения и начальных условий. Для двух – трех частиц основную задачу динамики можно решить «руками». Для большего числа частиц возможно численное решение с использованием компьютера. При этом исследуются и предсказываются динамические закономерности движения.

Однако, если рассмотреть некоторый объем газа, то станет ясно, что динамический подход не пригоден. Действительно, даже в одном кубическом сантиметре одноатомного газа при нормальных условиях (некоторые термины, известные заранее, будут уточняться позже) содержится так называемое число Лошмидта, несколько меньшее, чем атомов. Очевидно, что невозможно записать даже уравнения Второго закона для такого числа материальных точек. А ведь надо еще указать равнодействующие силы, действующие на каждую частицу, и указать в шесть раз большее число начальных условий. Даже формулировка динамической задачи в этом случае потребует времени, сопоставимого с временем существования Вселенной. А ведь надо еще решить эти уравнения на ПК, причем с очень малым шагом по времени (шаг должен быть значительно меньше, чем время между последующими соударениями частиц).

В связи со сказанным была развита новая физическая теория движения большого числа частиц. Эта теория принципиально отличается от классической механики. Она состоит из двух «подходов», т.е. термодинамического и статистического методов исследования. Принципиальность различия состоит в том, что использование Второго закона Ньютона дает однозначное, предопределенное или детерминированное описание, тогда как термодинамика и статистическая физика рассматривают средние значения физических величин для некоторого числа атомов. Совокупность этих атомов (или других частиц) называют статистическим ансамблем.

Другое важное отличие связано с характером движения частиц. В классической механике приборами можно отслеживать индивидуальное движение материальных точек. В больших ансамблях (газа, твердого тела, жидкости) происходит скрытое от невооруженного глаза тепловое движение.