Статистическая физика представляет раздел теоретической физики, направленный на исследование систем с произвольным (в частых случаях — бесконечным или несчетным) количеством степеней свободы.
Рисунок 1. Эффект Гиббса. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Изучаемые системы могут быть как классическими, так и квантовыми. Современная статистическая физика, основанная на методе Гиббса, подразделяется на:
- классическую статистику;
- квантовую статистику (считается более общей и строгой, поскольку из нее возможно получение всех базовых положений классической статистической физики).
Подобное деление относится непосредственно к выделению в классическую статистику определенных вопросов, решение которых исключает необходимость квантовых представлений.
Зачастую статистическую физику называют еще статистической механикой, однако подобному названию присущ исключительно исторический смысл, и связано оно с приложением статистики к аналитической механике.
Также в формате рассмотрения термодинамических вопросов, из общей статистической физики выделяется такой раздел, как статистическая термодинамика, представляющая наиболее развитую часть статистики в наиболее полном масштабе.
Предмет статистической физики
Статистическая физика направлена на изучение систем, состоящих из множества частиц, атомов, ионов, молекул и др. Основная задача статистической физики нацелена на исследование макроскопических свойств изучаемых систем наряду со свойствами и законами движения микрочастиц, представляющих данную систему.
При этом допускается возможность решения:
- задачи по определению макроскопических свойств системы (на основании известных свойств составляющих ее частиц);
- обратной задачи (определение свойств составляющих систему частиц по ее макроскопическим свойствам).
Рисунок 2. Элементы статистической физики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Постановка подобной задачи строится на основании реальности микрочастиц (молекул, фотонов, электронов, и др.), чье существование не подвергается сомнениям в современной физике. Практически все физические тела считаются состоящими из великого множества частиц.
Проследить за движением составляющих такую систему отдельных частиц, в то же время, не представляется возможным (в таких случаях начинают проявляться новые (статистические) закономерности). Они дают возможность определения средних значений величин и оценки вероятности любых иных возможных значений.
Цели статистической физики
Главная цель статистического исследования направлена на описание и объяснение макроскопических свойств состоящей из великого множества элементов (частиц) системы. Подобные системы иногда называю макросистемами.
Свойства отдельных частиц при этом, которые определяют динамические закономерности, в статистике рассматриваться не будут, несмотря на проявление в поведении системы особенностей природы частиц. Но поскольку изучаемая система состоит из огромного числа элементов, первоочередными становятся статистические закономерности.
В рамках исследуемых статистических систем, их макроскопические свойства оказываются средними величинами. Это приводит к выводу, что их вычисление играет существенную роль в статистике, давая основу для вероятности проверки теории экспериментальным путем. В качестве непосредственной и наиболее общей задачи статистики в решении определенных вопросов выступает проблема энергетического распределения в заданной системе между ее элементами.
Задачи статистической физики
Статистические закономерности позволяют вычислять средние значения величин с оценкой вероятности других возможных значений. Таким образом, в качестве метода статистической физики может выступать основанный на теории вероятностей статистический метод.
Статистическая физика в первую очередь взаимосвязана с термодинамикой, основывается на фактах и закономерностях, полученных посредством обобщения огромного человеческого опыта. Так, ученым удалось выяснить, что в условиях равновесия макроскопической системы, законы для средних величин, полученные в статистической физике, совпадают также и с законами термодинамики.
Статистическая термодинамика, благодаря установлению связи молекулярных состояний и макроскопических свойств систем, обеспечила возможность определения термодинамических функций разных систем. Появление квантовой механики повлияло на последующее продуктивное развитие статистической термодинамики, поскольку способствовало более точному определению состояние тел.
В то же время, значение статистической физики не исчерпывается только обоснованием термодинамики. В качестве особенности статистической физики выступает исследование процессов на основании взаимодействия и движения множества частиц. Задействование статистической физикой определенной модели вещества, способствует, с одной стороны, более глубокому познанию законов и явлений окружающей среды, а с другой - ограничению только лишь сферой применения данной модели.
Методы статистической физики задействованы в разнообразных областях современной (например, в физике конденсированных тел, теории элементарных частиц и многих других). Только благодаря статистической физике, ученым удалось истолковать такие термодинамические параметры, как энтропия, температура, свободная энергия и пр.
Рисунок 3. Примеры необратимых процессов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При исследовании неравновесных процессов также применяется статистическая теория, направленная на рассмотрение изменений микроструктуры вещества. Общеизвестно, что любые изменения, осуществляемые в рамках системы и отражаемые на ее свойствах и макроскопических параметрах, представляют следствия определенных изменений в движении (размещении) микрочастиц, образующих ее.
Статистическая физика необратимых и неравновесных процессов также иногда называется статистической кинетикой. Она также может называться статистической механикой, поскольку в основе метода усреднения классической физики заложены уравнения механики, которые касаются систем многих частиц.
