При выводе основного уравнения кинетической теории газов рассчитывают давление газа на стенки сосуда. Речь идет о среднем значении давления, так как в разные моменты времени о стенку ударяется разное число молекул, имеющих различные скорости. Но при большом числе молекул можно считать давление постоянным, а флуктуацию давления достаточно малой.
У учащихся может сложиться впечатление, что статистический метод был введен в науку как некий искусственный прием, позволивший описать поведение молекул, и что динамические законы являются основными по сравнению со статистическими. Следует предупредить эту ошибку и объяснить, что статистические законы существуют объективно. Классическая статистика возникла в XIX в. Этот факт выражал прогрессивное направление науки и был связан с изучением внутреннего строения вещества. В настоящее время известно, что поведение всех микрообъектов подчиняется статистическим законам, причем в квантовой физике в отличие от классической статистические законы проявляются не только вследствие массовости и хаотичности движения, но и в связи с самой природой квантовых объектов (с невозможностью одновременного точного определения координаты и скорости частицы). Целесообразно подчеркнуть, что статистический метод является основой современной физики. В частности, вероятностные, статистические законы господствуют в мире элементарных частиц.
Термодинамический метод описания явлений и процессов опирается на непосредственные данные наблюдений и опытов и на основные термодинамические принципы (законы термодинамики).
Термодинамика - феноменологическая теория, которая изучает явления и свойства макроскопических тел, связанные с превращением энергии, и не рассматривает их внутреннее строение. Начало термодинамике как науке было положено в работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1827), в которой рассматривались тепловые процессы, в частности, вопросы изменения внутренней энергии при совершении работы и вопросы теории тепловых машин. В настоящее время термодинамика изучает превращения энергии не только в тепловых процессах, но и в электрических, магнитных, химических и др.
В основе термодинамического метода лежат следующие понятия: термодинамическая система, состояние термодинамической системы, термодинамические параметры состояния и равновесное состояние.
Термодинамической системой называют тело или совокупность тел, обменивающихся энергией между собой и с внешними телами. Если обмена энергией с внешними телами нет, то система является изолированной. Понятие изолированной системы - абстракция, все реальные системы можно считать изолированными лишь с той или иной степенью точности.
С понятием состояния школьники уже знакомы из курса механики. Они знают, что механическое состояние системы определяется совокупностью величин, характеризующих свойства системы и называемых параметрами состояния. К ним в механике относят координату, импульс и т. д. Состояние термодинамической системы также определяется рядом параметров (термодинамических). Термодинамическими параметрами состояния являются температура, объем, давление и т. д. Число параметров, характеризующих состояние системы, зависит от свойств системы и от условий, в которых она находится. Трех названных выше параметров достаточно для описания изолированной системы «идеальный газ», но если рассматривать, например, неоднородный газ, то необходимо учитывать еще и концентрацию.
Параметры могут быть внешними и внутренними. Температура и давление, например, зависят только от состояния самой системы и не связаны с внешними условиями. Объем же зависит от внешних условий. Некоторые параметры состояния, например, объем, обладают свойством аддитивности, другие, такие, как давление и температура, не обладают. При изменении состояния системы меняются и ее параметры. Однако для целого ряда термодинамических систем между параметрами можно установить функциональную зависимость. Уравнение, выражающее эту зависимость, называли уравнением состояния (для системы «идеальный газ» это уравнение pV=NkT)
Состояние системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние характеризуется неизменностью всех термодинамических параметров системы во времени и одинаковостью в пространстве в отсутствие внешних воздействий. Термодинамика изучает в основном равновесные состояния. Если система находится в неравновесном состоянии (т. е. параметры ее с течением времени меняются), то постепенно она придет в состояние равновесия и ее параметры выровняются во всех частях системы. Изолированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в равновесное состояние, из которого не может самопроизвольно выйти. Это утверждение составляет сущность закона термодинамического равновесия, являющегося одним из важнейших опытных законов термодинамики. Именно закон термодинамического равновесия делает возможным измерение температуры системы.
Целесообразно подчеркнуть, что уравнение состояния идеального газа и частные газовые законы справедливы лишь для равновесных процессов. К неравновесным процессам они неприменимы, так как в этом случае параметры состояния различны для разных частей системы. Из одного равновесного состояния в другое система может перейти под влиянием внешнего воздействия.
Такой переход в термодинамике называют процессом. Если во время процесса система остается равновесной, то и процесс называют равновесным. Равновесный процесс осуществляется тогда, когда время релаксации (время перехода системы из неравновесного состояния в равновесное) много меньше времени осуществления процесса. В этом случае систему в каждый момент времени с той или иной степенью точности считают равновесной, или статической. Поскольку в действительности отклонения от статичности имеются (иначе нельзя было бы осуществить процесс), то состояние системы называют квазистатическим, а процесс - квазистатическим процессом. Следует иметь в виду, что на графике можно изобразить только равновесное (квазистатическое) состояние или равновесный (квазистатический) процесс.
При изучении раздела «Молекулярная физика» учителю следует постоянно подчеркивать единство статистического и термодинамического методов. В этом отношении полезно обобщить и систематизировать знания школьников о статистическом и термодинамическом подходах к описанию тепловых явлений. Обобщение знаний проводят в конце изучения всего раздела, а связь между этими подходами представляют в виде схемы (рис. 2).
