Статистическая физика макроскопических систем. Начала термодинамики. Энтропия.

Статисти́ческая фи́зика — раздел физики, изучающий методами теории вероятностей поведение систем частиц в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии. Статистическую физику подразделяют на равновесную и неравновесную.

Обычно при исследовании таких систем нас не интересует почти случайное поведение каждой конкретной частицы. Статистическая физика описывает, как из движений частиц системы складывается усреднённая эволюция системы в целом.

Статистическая физика даёт вывод термодинамики многих реальных систем: идеальных газов, реальных газов, квантовых газов, простых конденсированных сред (например, идеальных кристаллов, спиновых цепочек). В частности, она даёт явные соотношения для используемых в термодинамике энтропии, термодинамической работы, внутренней энергии и объясняет закон неубывания энтропии.

Неравновесная статистическая механика и физическая кинетика изучает, как именно система приходит в состояние локального равновесия.

Методы статистической физики могут применяться не только к атомам и молекулам, но и ко многим иным системам. Соответствующий подраздел статистической физики можно назвать физикой сложных систем.

Динамические и статистические закономерности.

В классической физике считалось, что предсказание будущего механической системы осуществляется однозначным образом. В этой связи говорят о динамических закономерностях. Термин «динамический» здесь не очень уместен. Он призван отобразить причины изменений физических явлений, каковыми признаются силы . Строго говоря, динамические закономерности необязательно связывать именно с феноменом силы (в общей теории относительности не используется понятие силы, а понятие динамической закономерности остается в силе). Под динамическими закономерностями имеются в виду однозначные предсказания.

Оказавшись перед необходимостью изучения свойств систем, состоящих из очень большого числа частиц (атомов, молекул и т.д.), физики обратились к статистике. В сложной системе невозможно проследить за историей каждой отдельной частицы, обладающей, как считали физики старой школы, четко определенными параметрами. Для характеристики сложных (макроскопических) систем стали применять средние значения параметров частиц, для подсчета которых использовалось понятие вероятности. В статистических закономерностях осуществляется вероятностная предсказуемость средних значений величин микрообъектов. Считалось, что статистические закономерности имеют своей основой невероятностное поведение тех частиц, их которых состоят сложные системы. 

Статика – учение о весе тела и его равновесии. Статика – порядок, равновесие, стабильность, строгая согласованность действий. Постоянное или монотонное возрастание называется статическим. По Ньютону “Пространство” и “Время” абсолютны, мир представляет собой автоматическое устройство, где каждое тело занимает определённое место и очень просто вычислить положение этого тела. На самом деле мир находится в постоянном движении и процессы подчиняются только вероятностным законам. 

Аксиомы статики:

1)если на твёрдое тело действуют 2 равные по модулю силы, но в противоположных направлениях, то эти силы называются уравновешивающими;

2) если на твёрдое тело действует уравновешенная система сил, то это тело находится в равновесии;

3) если на твёрдое тело из одной точки действуют 2 силы, то эти силы можно заменить равнодействующей по правилу сложения векторов методом параллелограмма;

4) при всяком действии тел друг на друга возникает равное по величине взаимодействие, направленное в противоположную сторону;

5) равновесие деформированного тела не изменится, если оно мгновенно затвердеет;

6) всякое несвободное тело можно сделать свободным, если связи заменить реактивными связями. 

Динамика – сила. Это наука о движении тел под действием сил. Динамические процессы изменяются во времени. Характеристиками такой системы являются неустойчивость, нестабильность, нерегулярность, беспорядок, хаос. Взаимодействие порядка (всё стабильно, всё в равновесии) и хаоса (нет стабильности и равновесия) – неотъемлемое свойство материи и всех систем (технических, экономических, биологических…). 

Макромир  – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время – от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности. Термодинамика – это физика изучающая закономерности энергетических процессов. Энергия – это мера движения и взаимодействия тел.Когда мы говорим о законах распространения тепла, мы начинаем изучать статистические отношения. Понятие температуры – это понятие статистическое, поскольку t – это число возбуждённых элементов тела,   к числу оставшихся элементов на прежнем энергетическом уровне.Термодинамика начинает описывать спонтанное поведение физических систем. Существует две переменные:

1) Превращение энергии («Эффект сублимации в психоанализе»)

2) Теплопроводность.

Существует универсальное стремление к термодинамическому процессу.Закипание кастрюли в холодильнике весьма и весьма маловероятно. Энтропия Вселенной сопровождается дисципацией Вселенной. Энтропия –описывает меру неопределённости систем, что означает, что состояние сисемы может быть достигнуто максимальн кол-вом способов, все варианты данного развития = возможным. .Невозможен естественный процесс, результатом которого было бы поглощение теплоты и преобразование этой теплоты в работу. Невозможен переход от более холодного к более горячему. Эти процессы невозможны т.к. состояние хаоса (беспорядка) является наиболее вероятным состоянием во Вселенной. Тепловой же поток характеризуется хаотическим движение молекул.Именно поэтому (т.к. порядок наименее вероятен во Вселенной) было введено понятие аттрактора = притяжение: всякая система, если её вывести из состояния термодинамического процесса, будет стремится к термодинамическому равновесию.  

Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически.

Необходимость начал термодинамики связана с тем, что термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства. Вопросами внутреннего устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

Нулевым (или общим) началом термодинамики иногда называют принцип, согласно которому замкнутая система независимо от начального состояния в конце концов приходит к состоянию термодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может.

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам.

Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии.

Третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия ведет себя вблизи абсолютного нуля температур.

Энтропия (от греч. ἐντροπία — поворот, превращение) — понятие, впервые введённое Клаузиусом в термодинамике для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно.

Термин широко применяется и в других областях знания: в статистической физике — как мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации как мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса).

Термодинамическая энтропия — функция состояния термодинамической системы.