Вещество как система частиц на примере идеального газа и основное уравнение для него как триумф ньютоновской механики.

Проблема движения, как изменения вообще, по Энгельсу, тысячелетиями интересовала человечество. В первую очередь это относится к механическому движению, когда непротиворечивым является подход, при котором тело и находится и не находится одновременно в данной точке (апории Зенона о черепахе). Аристотель считал, что тело остановится, если действие силы на него прекратится. Галилей опроверг это и заложил начала физики. Именно не скорость, а её изменение для тела является показателем того, действует на него сила или нет. По Ньютону скорость изменения импульса во времени и есть сила

,

где m – масса, – импульс тела, – вектор силы.

При написании этого закона использована абстракция – материальная точка. Оказалось, что законы Ньютона дают механистическую концепцию, объясняющую все виды движения. Так же и на основе механики Ньютона в 17–19 веках удалось понять, что такое теплота.

Переход к описанию ансамбля молекул (их системы) из 1022–1025 штук на основе законов Ньютона вызывал трудности и поэтому потребовался синтез законов классической механики и законов теории вероятностей для установления законов в статистических системах – газах, отражающих связь одновременного действия супербольшого числа частиц – молекул на измерительный прибор.

 Это типичный пример перехода количества в качество. Если взять идеальный газ, то для его молекул можно считать, что одна треть всех молекул в кубе с ребром "l" движется вдоль оси "х", другая вдоль оси "y", а третья – вдоль "z". При ударе одной молекулы о стенку "yz" импульс её изменяется на величину  за время в среднем (от удара до удара)  

Тогда сила, действующая со стороны одной молекулы на эту стенку, по второму закону Ньютона равна:

Среднее давление всех молекул на эту стенку:

где S =l2 – площадь стенки, а объем V=S·l.

Вводя концентрацию молекул n = N/V, получаем для давления молекул значение p = (2/3) n Ek,

 где Ek – средняя кинетическая энергия одной молекулы.

Из уравнения объединенного газового закона pV=(M/m)·R·T,

где M и m – масса и молярная масса газа,

R=8,31 Дж/Кмоль – универсальная газовая постоянная,

тогда получим ,

где k=R/Na, где Na=6,02·1023 1/моль – число Авогадро.

То есть механистическая концепция дает понятие температуры как меры среднего значения кинетической энергии молекул. Тогда теплота – кинетическая энергия хаотического движения молекул. Джоуль установил, что теплота в 1 ккал (чтобы нагреть 1 кг воды на 1о С) соответствует энергии выделяющейся при падении груза в 427 кг с высоты 1 м. Поскольку 1ккал = 427 Дж., то и энергия, и теплота измеряются в одних и тех же единицах. Значит, механистическая концепция обосновала основополагающие газовые законы.

Рассмотрим истоки механистической концепции с античных времен, когда появились первые представления об атомизме и «стихиях» (огонь, вода, земля и воздух) в 5-6 веках до н.э. в Греции. Тогда же возникла «атомистика» Демокрита (460-370 гг. до новой эры). По его представлениям:

1.     Вся Вселенная состоит из мельчайших частиц-атомов и незаполненного ими пространства – пустоты, без которой невозможно перемещение частиц;

2.     Атомы неуничтожимы, а потому Вселенная вечна;

3.     Атомы – абсолютно неделимые (кирпичики мироздания);

4.     Атомы постоянно движутся×;

5.     Атомы различаются размерами и формой. Их малость делает не воспринимаемыми органами чувств;

6.     Все предметы образуются из различных сочетаний атомов.

Эпикур (324-270гг. до н.э.) пытался найти внутренние истоки жизни атомов. Далее Лукреций Кар (1 век до н.э.) в книге «О природе вещей» развил атомизм. Но учение Аристотеля затем вытеснило насильственно античный атомизм. Ньютон возродил его и ввел понятие о «корпускулах света». Ломоносов был у истоков кинетической теории вещества, основанной на атомизме. И лишь в 1808 году Дальтон признал существование атомов, Джоуль возродил идеи Ломоносова, не зная о его работах.

В 1856 году Крениг подошел к выводу основного уравнения молекулярно-кинетической теории . В 1857 году Клаузиус дал ясное изложение молекулярно-кинетического подхода, а в 1860 году Максвелл на основе статистики получил распределение молекул по скоростям теплового движения и завершил создание фундамента статистической физики.

Использование на практике тепловой энергии началось гораздо раньше: в 1763 году Ползунов создал машину использующую энергию пара, Уатт её позже усовершенствовал. Пришла промышленная революция. Черепанов изобрёл паровоз, Фултон – пароход. Массовое сжигание лесов привело к возникновению кислотных дождей – первых признаков экологической катастрофы, как негативной стороны развития цивилизации.