§50 Статистичний і термодинамічний підходи до вивчення теплових властивостей макроскопічних тіл [4]

Існує два способи опису процесів, що відбуваються в макроскопічних тілах (тобто тілах, що складаються з дуже великої кількості частинок – атомів або молекул), – статистичний і термодинамічний.

1. Статистичною фізикою називається розділ фізики, присвячений вивченню властивостей макроскопічних тіл, виходячи із властивостей частинок, які утворюють тіло, і взаємодій між ними.

Макроскопічними називають тіла, що складаються з величезної кількості частинок (). Здавалося б, що, знаючи положення й швидкість всіх молекул у деякий початковий момент часу, можна за допомогою законів механіки визначити положення й швидкість кожної молекули, а отже, і стан тіла в наступні моменти часу. Однак для такого детального опису частинок, що утворюють макроскопічне тіло, потрібно було б написати, а потім вирішити величезну кількість рівнянь руху (по три рівняння на кожну частинку). Витрати часу на розв’язання цих рівнянь настільки величезні, що використовувати такий спосіб для дослідження макроскопічних тіл не має сенсу.

Крім нездоланних технічних труднощів, існують фізичні причини, через які розглянутий вище опис руху всіх частинок неможливо здійснити. Справа полягає в тому, що мікроскопічний світ описується не законами ньютонівської механіки, а законами квантової механіки. З точки зору квантової механіки «абсолютно» точне одночасне визначення координат і швидкостей молекул є неможливим. Тому початкові значення координат і швидкостей можуть бути визначені лише з похибками. Під час проведення розрахунків ці похибки будуть накопичуватися. Через це розрахунковий результат буде дуже сильно відрізнятися від реального стану речей.

Також слід зазначити, що в системах з величезною кількістю частинок виникають принципово нові закономірності, які мають ймовірнісний характер, і називаються статистичними. Саме ці статистичні закономірності і є об’єктом дослідження статистичної фізики. При цьому вона користується ймовірнісними методами й пояснює властивості тіл, які безпосередньо спостерігаються на досліді (такі, наприклад, як тиск і температура), як сумарний, усереднений результат дії частинок макроскопічного тіла.

2. На відміну від статистичної фізики, термодинаміка вивчає властивості макроскопічних тіл і процеси, що протікають у них, не конкретизуючи мікроскопічну природу тіл. В основі термодинаміки лежить невелике число фундаментальних законів (які називають принципами термодинаміки), які встановлені шляхом узагальнення дуже великої кількості дослідних фактів. Через цю причину результати, які отримані термодинамікою, мають більш загальний характер ніж результати, які отримані статистичною фізикою, тому що не залежать від внутрішнього улаштування тіл.

У статистичної фізики й термодинаміки загальний предмет вивчення – властивості речовин і процеси, що відбуваються в них. Підходячи до вивчення цих властивостей і процесів з різних точок зору, статистична фізика й термодинаміка взаємно доповнюють один одного, створюючи, за суттю, єдине ціле.