Termodinamica

Fenomenele fizice legate de miscarea complet dezordonata care se manifesta la nivel molecular (fenomene termice) sunt studiate cu ajutorul termodinamicii si a fizicii statistice. Termodinamica studiaza fenomenele sau procesele macroscopice (in limba greaca macros inseamna mare, micros-mic) fara a intra in analiza detaliata a proceselor microscopice (moleculare care le stau la baza, deci se face o abstractie de structura discreta a substantei. Termodinamica este o teorie fenomenologica care se bazeaza pe o serie de principii fundamentale deduse pe calea observatiilor experimentale, la care participa corpuri ale caror dimensiuni sunt perceptibile de catre om (corpuri macroscopice). Fizica statistica, din contra da o metoda deductiva pentru descrierea proprietatilor macroscopice ale materiei, pornind de la structura microscopica (moleculara,atomica etc.) a acesteia. Ea arata care sunt legile fizicii microcosmosului ce stau la baza termodinamicii fenomenologice, cum se poate explica termodinamica si baza acestor legi si de ce un sistem fizic dat are caracteristici termodinamice determinate. Legile termodinamicii fenomenologice si limitele lor de aplicabilitate pot fi deduse din fizica statistica, care este fundamentala. Fizica statistica se ocupa cu studiul proprietatilor fizice ale sistemelor macroscopice, adica, ale sistemelor care constau dintr-un numar foarte mare de atomi sau molecule. Scopul sau principal este de a da o explicatie comportarii si proprietatilor sistemelor macroscopice, observate experimental, pornind de la principiile de baza ale teoriei atomice, precum si de a stabili o serie de legaturi intre marimile ce descriu proprietatile masurabile direct ale sistemului. Pentru intelegerea comportarii sistemelor macroscopice care constau dintr-un numar foarte mare de particule este necesar sa se introduca notiuni noi corespunzatoare complexitatii acestora. Aceste notiuni, bazate pe legile fundamentale ale microfizicii, permit sa se arate care sunt parametri cei mai importanti pentru descrierea sistemelor macroscopice, sa stabileasca legitatile care actioneaza in cadrul sistemelor macroscopice. Ele dau metode relativ simple pentru descrierea cantitativa a proprietatilor macroscopice.

Metode de studiu

Lumea materiala care ne inconjoara consta din obiecte macroscopice, ale caror dimensiuni sunt mari in raport cu dimensiunile atomice. O bucata de cupru cantarind cateva grame sau un volum de aer de cativa centimetri cubi aflat la temperatura si presiunea camerei, sunt exemple de sisteme macroscopice. Numarul de particule dintr-un astfel de sistem este de ordinul numarului lui Avogadro (6.023·10²³1/mol). Datorita numarului enorm de particule, un sistem macroscopic nu poate fi tratat in acelasi mod ca un sistem mecanic, chiar daca s-ar cunoaste legea de interactiune dintre particule. Un sistem macroscopic nu se poate descrie la fel ca miscarea planetelor pe baza mecanicii clasice. Astfel, nu este posibil sa se obtina vreodata pe cale experimentala o specificare microscopica completa a sistemelor macroscopice, cum ar fi, de exemplu, coordonatele particulelor componente chiar daca s-ar da aceasta informatie initiala, ar fi practic imposibil sa se rezolve numarul enorm de ecuatii ce descriu miscarea fiecarei particule in parte. Cu toate acestea din experienta zilnica se cunoaste ca diferitele corpuri macroscopice satisfac legi bine determinate. Astfel, cand doua corpuri aflate la temperaturi diferite (stari de incalzire diferite) sunt puse in contact termic caldura trece de la corpul cald la cel rece, ajungandu-se la o stare de echilibru in care corpurile au aceiasi stare de incalzire ceea ce inseamna ca temperatura corpurilor este aceeasi. La fel, apa aflata la presiunea atmosferica normala (760mm col Hg) fierbe intotdeauna la aceeasi temperatura de 100°C. In sfarsit, presiunea exercitata de un gaz rarefiat este determinata de legile gazelor perfecte. Toate aceste exemple arata ca legile fizicii statistice difera esential de cele ale mecanicii sau teoriei electromagnetice. Ele nu ofera o descriere microscopica completa a unui sistem macroscopic, adica nu dau pozitia si viteza fiecarei molecule la orice moment. Aceste legi determina anumite cantitati-observabile macroscopic-ale sistemului ca presiunea, temperatura, etc. Starea unui sistem macroscopic este determinata de multimea parametrilor de stare, care reprezinta toate acele marimi fizice ce caracterizeaza proprietatile macroscopice ale sistemului. Acesti parametri trebuie considerati ca rezultatul medierii dupa valorile microscopice corespunzatoare. Determinarea acestor valori medii (energia cinetica medie de translatie a unei molecule, valoarea medie a patratului vitezei, etc.), pornind de la proprietatile particulelor constituente, este problema principala a fizicii statistice. Parametri ce caracterizeaza sistemele macroscopice prezinta fluctuati - abateri spontane ale sistemelor de la starea de echilibru - in jurul valorilor medii, dar datorita numarului mare de particule constituente, aceste fluctuatii sunt foarte mici si pot fi complet neglijate. In practica ele se pot observa numai in conditii speciale. Se poate afirma ca legile statistice conduc in practica la rezultate complet determinate. Descrierea proprietatilor sistemelor macroscopice nu este o problema simpla a mecanicii unui numar mare de particule. Aceasta se poate vedea daca se considera comportarea unui gaz. Proprietati specifice gazelor au sistemele care contin un numar mare de particule. Nu se poate vorbi de un gaz (in sensul de a-i aplica ecuatia de stare a gazelor), daca se considera un sistem compus, de exemplu din 3 sau 15 particule. Proprietatile gazului nu se reduc la proprietatile particulelor considerate separat. Cand particulele formeaza un gaz, acest sistem manifesta noi calitati care se caracterizeaza prin noi marimi fizice, ce nu pot descrie miscarea fiecarei particule. Astfel, se poate vorbi de temperatura unui gaz, care descrie starea de incalzire a gazului si care este o masura a intensitatii miscarii termice din care este constituit acesta, dar nu se poate vorbi de temperatura unei molecule; presiunea exercitata de gaz asupra peretilor vasului in care se afla este rezultatul actiunii colective ale tuturor particulelor si nu se poate reduce la actiunea separata a particulelor. Particularitatile miscarii fiecarei particule nu caracterizeaza proprietatile gazului. Directia miscarii, viteza, energia particulei, pozitia ei in spatiu se schimba necontenit, in timp ce caracteristicile microscopice ale gazului(ca un sistem intreg), cum ar fi presiunea, volumul si temperatura, pot ramane neschimbate. Prin urmare, miscarea fiecarei particule luata separat nu numai ca nu poate fi stabilita, dar nici nu prezinta interes pentru obtinerea parametrilor macroscopici ai sistemului. Faptul ca miscare particulei separate, ciocnirile dintre 2 particule se produc dupa legile mecanicii, nu inseamna ca sistemul de particule (adica gazul)poate fi studiat cu ajutorul legilor mecanicii. Si din punct de vedere principial, acest lucru nu este posibil, deoarece o forma superioara de miscare (miscarea termica) nu poate fi redusa la o forma inferioara(miscarea mecanica). Toate acestea arata necesitatea metodei statistice in descrierea proprietatilor sistemelor macroscopice, in care se determina valorile medii ale a marimilor ce caracterizeaza aceste sisteme. Exista 2 metode de studiu al sistemelor macroscopice. Prima este cea a termodinamicii clasice, care a aparut in prima jumatate a secolului XIX prin lucrarile lui Carnot, Clausius, Kelvin, Mayer, Joule, etc. Aceasta se bazeaza pe un numar mic de principii fundamentale, cunoscute sub numele de principiile termodinamicii care au rezultat din generalizarea concluziilor unui numar mare de experimente efectuate pe sisteme macroscopice.
Principiile fundamentale ale termodinamicii clasice nu sunt deduse pornind de la tabloul microscopic si ca urmare, aceasta opereaza numai cu parametrii macroscopici ca presiunea, volumul, temperatura etc.
A doua metoda este cea a fizicii statistice, in care legile ce descriu sistemele macroscopice se deduc tinand seama de structura atomica a acestora. Metoda statistica cuprinde doua aspecte: pe de o parte se urmareste stabilirea legilor termodinamicii pentru corpurile macroscopice pornind de la legile care descriu comportarea atomica a acestora. Pe de alta parte, in fizica statistica se urmareste deducerea proprietatilor sistemelor macroscopice, cum ar fi de exemplu, ecuatia de stare, din proprietatile sale microscopice.