Bazele fizicii moleculare și ale termodinamicii

Una din problemele importante ale fizicii o constitue studiul fenomenelor termice, determinate de comportarea unui numar foarte mare

(atomi, molecule) de ordinul NA=6*1023mol-1 ce intra in componenta corpului sau sistemului considerat de corpuri, numit sistem macroscopic. Pentru a descrie proprietatile sistemului macroscopic si fenomenele ce se produc in el sunt necesare metode adecvate unui numar mare din particule.

In prezent se aplica doua metode, ce se completeza reciproc-metoda termodinamica si metoda statistica.

In prima jumatate a sec. a aparut metoda termodinamica, dezvoltata in lucrarile lui R.Clausius, S.Carnot, W.Thomson, R.Mayer, J.Joule, etc. Termodinamica, ca parte a fizicii, are un caracter fenomenologic, ceia ce insemna ca se bazeaza pe sistematizarea si generalizarea datelor experimentale, care au condus la formularea a trei principii fundamentale.

Justificarea acestor principii rezulta din succesele obtinute in explicarea fenomenelor termice. Relatiile cantitative, prin care se descriu diverse transformari ale energiei, permit sa se studieze proprietatile fizice ale sistemului macroscopic considerat in cele mai diverse procese. Termodinamica este una din cele mai importante ramuri ale fizicii, deoarece principiile ei sunt aplicabile pentru orice sistem macroscopic fara a fi necesara descrierea microscopica a sistemului, a caracterului miscarii particulelor componente.

A doua metoda, numita statistica, este cea aplicata in fizica statica,dezvoltata in jumatatea a doua a sec. , in lucrarile savantilor J.Maxwell, L.Boltzman, D.Cibbs, etc. In fizica statistica: legile, ce descriu sistemele macroscopice se deduc, reesind din anumite metode ale structurii moleculare ale acestora; se stabilesc legaturi intre proprietatile microscopice si cele macroscopice ale sitemului cercetat, adica se explica proprietatile macroscopice ca un rezultat sumar al actiunilor particulelor componente . Miscarea fiecarei particule se supune legilor mecanicii. Dar este evident imposibilitatea aplicarii aestor legi fiecarei particule dintr-un sistem macroscopic . Incadrul fizicii statistice nu se studiaza miscarea fiecarei particule in parte, dar miscarea ansamblului de particule din sistem, care se deosebeste calitativ de cea mecanica , fiind descrisa de legi statistice. Astfel se poate determina probabilitatea ca o particula, fara a preciza care anume, sa aiba la un moment dat o anumita pozitie (coordonata) siviteza (impuls). Prin urmare, pentru studiul statistic al unui sistem macroscopic se utilizeaza portiunea de probabilitate de distributie a particulelor componente in diferite stari posibile pentru ele.

Astfel, prin aplicarea metodei statistice se realizeaza scopul de a deduce proprietatile sistemului macroscopic si relatiile dintre marimile fizice prin care le descriem din proprietatile sale microsopice. Prin realizarea acestui scop se obtin marimi macroscopice, care nu au corespondent in mecanica (de exemplu, temperatura ) si relatii intre ele (de exemplu, ecuatia de stare a sistemului considerat ).

Totodata, fizica statistica mai urmareste un scop- stabilirea legilor termodinamice pornind de la structura concreta a sistemului tmacroscopic considerat. Realizarea acestui foarte important scop uneori deficila din cauza aparatului matematic complicat, inseamna, de fapt, explicarea legilor respective, evidentierea caracterului lor statistic. Demonstratiile si deducerile din fizica statistica au un caracter general si se aplica atit la rezolvarea problemelor clasice (de exemplu, miscarea atomilor in metale, a fotonilor intr-o incinta inchisa).

In incheere, conchidem ca fizica statistica si termodinamica, aplicate inpreuna, reprezinta o teorie completa a sistemelor macroscopice.

In acest capitol se vor descrie legile si metodele fizicii statistice clasice, aplicate pentru studiul gazelor. Aspecte si particularitati ale fizicii statistice cuantice vor fi prezentate ulterior, dupa introducerea elementelor de fizica cuantica.

20.2. Parametrii de stare, procese termodinamice.

Sistemele macroscopice, numite si sisteme termodinamice daca sunt studiate prin metode termodinamice, sunt caracterizate printr-un numar finit de marimi fizice, numite parametri de stare sau parametri macroscopici: volumul V, presiunea p, temperatura T, concentrasia n, etc. Pentru anumite sisteme se mai folosesc si parametri din alte domenii ale fizicii, cum ar fi densitatea de sarcina electrica. Totodata parametrilor care caracterizeaza complet un sistem termodinamic determina starea acestuia. Acei parametri care pot fi masurati locul si care nu depind de masa sistemului se numesc intensive (de exemplu, presiunea, temperatura).parametri care pot fi masurati numai pentru intrgul sistem (global) si valorile carora depind de masa sistemului (de exemplu volumul, energia interna) se numesc extensivi.

Parametrii macroscopici se mai clasifica in parametri interni si parametri externi.Parametrii externi, sau de pozitie, sunt functii de coordonatele corpurilor externe fata de sistemul considerat. Exemplu de astfel de parametru este volumul sistemului.

Parametri interni ai unui sistemi sunt acele marimi care depind atat de pozitia corpurilor externe cit si de coordonatele si vitezele particulelor componente ale sistemului. De exemplu, densitatea, presiunea, energia interna, sunt parametri interni.

Starea sistemului macroscopic determinata de parametri macroscopici este nu,ita stare macroscopica sau macrostare. Totodata, din punct de vedere microscopic, starea unui sistem se caracterizeaza prin valorile mommentane ale coordonatelor si impulsurilor particulelor constituite, numite parametri macroscopici. Starea sistemului, determinata de parametrii microscopici se numeate stare microscopica sau microstare.

Un sistem macroscopic se afla in stare de echilibru termodinamic (denumit si termic, static) daca parametrii macroscopici ce ii definesc strarea nu vareaza in timp si fiecare din ei are aceiasi valoare in intreg sistemul. Din aceasta definitie rezulta ca valorile parametrilor nu sunt conditionate de procesele din mediul exterior, iar in sistemul considerat nu exista fluxuri de energie, substanta, impuls. Orice sistem aflat in conditii exterioare invariabile cu timpul ajunge in starea de echilibru si ramine in ea un timp nelimitat. Totodata variabilile microscopice ce caracterizeaza particulee individuale din sistemul in echilibru se pot modifica continuu macrostarea, dar astfel incit macrostarea ramine neschimbata. Atadar, din punct de vedere clasic, exista o infinitate de stari microscopice, compatibile cu o macrostare de echilibru data. Altfel spus,