ПРЕЛЮДИЯ

 Современная астрофизика активно использует классическую термодинамику для описания энергетики астрофизических систем.

 ОСНОВНАЯ ТЕМА

При термодинамическом подходе к описанию свойств больших систем, состоящих из большого числа (N) объектов (частиц) эти системы в физике представляются как макроскопические тела. Такие системы в физике и технике принято называть ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ. При таком подходе физики не интересуются природой таких частиц и только задают механизм и характер их взаимодействия.

В молекулярной физике удается установить связь между микроскопическими параметрами частиц (число частиц в единичном объеме, масса частиц, и скорость частиц n,m,v) и макроскопическими параметрами (давление, объем, температура P,V,T) термодинамических систем.

В зависимости от механизма взаимодействия между частицами существует три разновидности теплопередачи. (Если это прямое хаотическое столкновение частиц, то это теплопроводность, если частицы двигаются хаотически внутри облака, но облако имеет определенное направление движения, то это конвекция, и наконец, если частицы взаимодействуют с помощью электромагнитных волн это излучение.) Еще раз отметим, что эти взаимодействия носят хаотический, недетерминированный характер. Физическая величина, характеризующая этот процесс, получила название КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ (Q).

ИНТЕРЛЮДИЯ

 Специально отметим, что здесь на микроскопическом уровне используется вероятностная картина описания недетерминированных свойств мира. Эта картина строится в молекулярной физике с помощью теории вероятностей. Микроскопическое описание дается на языке распределений вероятностей скоростей молекул, средних скоростей, средних напряженностей полей и других физических параметров, представляющих собой случайные величины.

При макроскопическом описании случайный характер физических процессов в веществе (в термодинамических системах) "зашифрован" в таких физических величинах как температура и количество теплоты. Связь между физическими величинами, описывающими макро и микро свойства материи осуществляется через операцию усреднения физических величин, которые как отмечалось выше являются случайными величинами.

 ОСНОВНАЯ ТЕМА

 Как хорошо известно, детерминированная (упорядоченная) составляющая движений частиц в молекулярной физике связывается с таким понятием как РАБОТА. Направленное (упорядоченное) движение предполагает, что вектора скоростей частиц носят однонаправленный (компланарный) характер.

Здесь иногда используют слово "ПОРЯДОК". Однако следует подчеркнуть особо, что имеется в виду порядок динамического типа. Ситуация регулярного статического пространственного расположения частиц в пространстве, которая обычно ассоциируется с обыденным пониманием слова порядок в данном случае не рассматривается.

Направленное взаимодействие между частями системы (или с окружающей средой), которое осуществляется с помощью частиц, движущихся с компланарными векторами скоростей, в термодинамике условно называется РАБОТОЙ. (Часто физики образно говорят что работа либо «совершается» над термодинамической системой, либо сама система «совершает» работу над другой системой.) Физическая величина, которая характеризует этот процесс, для краткости речи так же называется РАБОТОЙ (А).

Итак, мы установили, что существует два вида движений в сложных системах: движение может быть упорядоченным (динамический порядок), когда все частицы движутся согласованно, или, напротив, неупорядоченным (хаотическим), когда все частицы движутся произвольным (случайным образом). Во втором случае движение может описываться кинетической энергией хаотического движения частиц. Такая энергия называется ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИЕЙ. В первом случае речь идет о кинетической энергии движения частиц на отдельных участках термодинамической системы или на участках в окружающей среде.

 КРЕЩЕНДО

 Специально отметим, что в молекулярной физике описываются сразу оба вида движений. Для одновременного количественного описания обеих сторон движения в макроскопической физике удобно использовать такие физические величины, как количество теплоты и работа.

При микроскопическом описании в рамках теории вероятностей и теории случайных процессов для описания таких сложных движений используется аппарат корреляций, который удачно дает количественные меры "детерминированности" (или меру неопределенности, или меру частичной упорядоченности) случайных явлений (коэффициент корреляции, независимости, энтропия распределения и т.д.).

Очевидно, что такая термодинамическая модель, с одной стороны, хорошо иллюстрирует физические свойства газов и твердых тел, а с другой стороны, отвечает нашим наглядным представлениям о больших технических и биологических системах.

Наши наглядные физические представления "наработанные" в статистической термодинамике помогут более ярко и выпукло представить физический смысл таких трудных для восприятия системных понятий, как информация, энтропия, обратная связь, память и оптимальное управление, гомеостаз, эволюция, морфогенез, метаболизм и автокаталитические реакции.

Эти понятия насущно необходимы для описания процессов в экологических системах и особенно они необходимы для описания процессов взаимодействия производств с окружающей средой, процессов оптимального управления охраной природы и процессов дистанционного зондирования окружающей среды. Их глубокое понимание невозможно без знания основ статистической термодинамики.

ОСНОВНАЯ ТЕМА

 Термодинамическая система называется ЗАКРЫТОЙ или ИЗОЛИРОВАННОЙ, если она не имеет никакого взаимодействия с окружающей средой и содержит фиксированное число частиц N. Состояние системы, в котором, она может находиться, не изменяясь сколь угодно долго, называется РАВНОВЕСНЫМ.

Такое состояние однозначно задается совокупностью независимых физических параметров - макроскопических параметров состояния. Основными из них являются: V - объем системы, Р - давление и T - температура.

Давлением Р называется физическая величина численно равная силе действующей на единичную площадь по направлению внешней нормали :

Объем системы устанавливает границы распространения частиц и тесно связан с плотностью системы (тела). Плотность тела это физическая величина численно равная отношению массы малого элемента системы к величине объема этого элемента:

 Температура Т это количественная мера интенсивности хаотического (теплового) движения частиц (молекул, атомов, ионов). Температура характеризует состояние теплового равновесия системы: все части системы находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру T , выражаемую через давление (1), объем и N –число частиц:

Напомним, что взаимодействие с окружающей средой может осуществляться, как посредством обмена с окружающей средой веществом (частицами), так и посредством влияния физических полей (гравитационное, электрическое, магнитное). Важно что, если взаимодействие с окружающей средой нет, то система называется ЗАКРЫТОЙ или ИЗОЛИРОВАННОЙ.

помощью уравнения состояния:

Иногда выражение (4) называется уравнением Клайперона-Менделеева. Оно показывает, что для идеального газа при фиксированной массе отношение произведения давления и объема к абсолютной температуре есть величина постоянная.

Часто термодинамический процесс называется РАВНОВЕСНЫМ, если система бесконечно медленно переходит через непрерывный ряд бесконечно близких равновесных состояний (иногда такой процесс называется КВАЗИСТАТИЧЕСКИМ). Напомним, что РАВНОВЕСНЫМ СОСТОЯНИЕМ называется состояние системы, не изменяющееся с течением времени. При этом во всех частях системы находящейся в равновесном состоянии температура одинакова.

Если происходит соприкосновение двух тел с различной температурой, то (как часто физики говорят) путем теплообмена происходит «передача» внутренней энергии от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Этот процесс прекращается, только тогда, когда температуры обоих систем становятся равными.

В случае, когда этот процесс еще не прекратился, говорят о квазиравновесном (т.е. процессом близким к равновесному) или квазистатическом термодинамическом процессе (т.е. когда процесс развивается, так медленно, что его можно считать почти равновесным). Математически, НЕРАВНОВЕСНЫЕ термодинамические процессы характеризуются тем, что их параметры являются функциями времени. Физически, неравновесные термодинамические процессы характерны тем, что происходит взаимодействие между элементами системы и окружающей средой.

Иногда в рамках закрытых (изолированных) термодинамических систем описывается взаимодействие между частями системы. Примером такого описания может являться описание тепловой машины.

Аналогичным образом некоторые авторы дают описание и процессов в каналах связи. Здесь, разумеется, речь идет о квазистатических системах или квазиравновесных системах.