Статистическая физика и термодинамика

 Изучением свойств систем, состоящих из огромного числа частиц, занимается специальный раздел физики – статистическая физика. Физические закономерности таких систем имеют вероятностный, статистический характер. Таким образом, она имеет дело со статистическими распределениями, определяющими, с какой вероятностью частицы системы имеют тот или иной набор значений параметров, определяющих их состояния. Методы статистической физики применяются во всех отраслях физики.

 Статистическая термодинамика – распространенное название раздела статистической физики, посвященного вычислениям макроскопических характеристик системы (термодинамических потенциалов, уравнения состояния и т.п.) через свойства составляющих систему частиц и их элементарные взаимодействия.

 В области физики, известной под названием статистической механики, делаются попытки связать макроскопические свойства ансамбля частиц с микроскопическими свойствами самих частиц. Статистическая механика рассматривает не действительные движения или взаимодействия отдельных частиц, а их наиболее вероятное поведение. Хотя статистическая механика не дает нам возможности выяснить историю жизни конкретной частицы, с ее помощью можно судить о вероятности того, что частица (какая именно, мы не можем знать заранее) будет иметь определенное положение, и импульс в определенный момент времени. Поскольку очень много явлений физического мира связано с ансамблями частиц, преимущества статистического подхода перед детерминистическим очевидны. Благодаря общности доказательств, статистическую физику одинаково удобно применять и к классическим задачам (задаче о поведении молекул газа) и к квантовомеханическим проблемам (таким, как проблема свободных электронов в металле или фотонов в замкнутой полости).

Совокупность большого числа одинаковых физических систем называется – статистическим ансамблем. Это понятие применяется в статистической физике при изучении статистических свойств систем.

Статистическим весом называют величину элемента фазового объема всей системы. Его можно определить и по-другому, как число различных состояний с данной энергией, т.е. статистический вес определяет кратность состояния системы.

В статистической физике устанавливается связь между энтропией и понятием статистического веса подсистемы. В статистическом равновесии подсистема при своем движении по фазовой траектории подавляющую часть времени проводит в той области фазового пространства, где ее энергия Е близка к своему среднему значению.

 Понятие энтропии особенно важно для изучения кинетических явлений, т.е. процессов приближения замкнутой системы к равновесию. По своему смыслу, состояние статистического равновесия для своего осуществления требует, строго говоря, бесконечного времени. Однако в действительности любая подсистема с большой точностью (порядка величины флуктуаций в состоянии равновесия) приходит и равновесие за вполне конечное время т.н. время релаксации. Определенная таким образом энтропия неравновесного состояния обладает свойством, которое делает ее основным инструментом кинетики. А именно, оказывается, что S (энтропия) в состоянии полного равновесия принимает максимально возможное значение.

Рудольф Клаузиус, который в 1865 году ввел понятие энтропии. Он трактовал ее рост как тенденцию к выравниванию перепадов температуры. Людвиг Больцман, связавший в 1877 году энтропию с вероятностью состояния системы, ассоциировал энтропию с равномерностью распределения, описывающего систему. А спустя 20 лет связывал энтропию (вероятность состояния) с неупорядоченностью. К этому времени трактовка энтропии как меры беспорядка стала общепринятым.