Статистическая физика является разделом теоретической физики, направленным на изучение систем с произвольным (стандартно-бесконечным либо несчетным) количеством степеней свободы. Изучаемые системы бывают как классические, так и квантовые.
Предмет статистической физики
Статистическая физика фактически подразделяется на такие разделы: статистическая механика (равновесная и неравновесная) и теория поля (статистическая).
Предсказаниям статистической физики и термодинамики более свойственен вероятностный характер. В этом и будет проявляться специфика статистических закономерностей, свойственных непосредственно макроскопическим телам.
Вероятностный характер предсказаний, в свою очередь, позволяет приблизить классическое рассмотрение к квантовому, в котором вероятность будет лежать в природе вещей. Такой характер в физике связывают с тем, что результаты будут получены на основании меньшего числа данных, чем это требуется при полном механическом описании.
Если макроскопическое тело наблюдается на протяжении достаточно большого количества времени, характеризующие его величины оказываются практически постоянными. Таким образом, предсказания становятся возможными, благодаря вычислениям средних значений величин.
Таким образом, статистическая физика описывает процесс, при котором из движений частиц системы складывается усредненная картина ее развития в целом. Большинство выводов и утверждений квантовых и классических статистик легко переводятся посредством простых правил соответствия с классического языка на квантовый и также обратно. В этом плане они становятся едиными для обеих статистик.
Основы молекулярной физики
Макроскопическими процессами в телах, связанными с огромным количеством содержащихся в телах них атомов и молекул, и их качественным изучением занимается молекулярная физика и термодинамика.
Молекулярная физика является разделом физики, созданным с целью непосредственного изучения строения и свойства вещества, если исходить из молекулярно-кинетических представлений, опирающихся на версию состава всех тел из молекул, пребывающих в непрерывно хаотическом движении.
Термодинамика занимается изучением общих свойств макроскопических систем, пребывающих в положении термодинамического равновесия, и процессов переходов между данными состояниями.
Существует следующие два способа описания процессов, происходящих в макроскопических телах (состоящих из достаточно большого количества молекул и атомов):
- статистический;
- термодинамический.
Статистический и термодинамический методы
Статистический метод представляет основу молекулярной физики, он является методом, направленным на исследование систем из большого количества частиц, оперируя при этом статистическими закономерностями, а также средними значениями физических величин, которые характеризуют весь комплекс частиц.
В качестве примера можно привести средние значения скоростей при тепловом движении молекул и их энергий.
Рисунок 1. Статистический метод. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В отличие от статистического метода, термодинамический направлен на исследование систем из большого количества частиц, не рассматривая при этом ее микроструктуры и происходящие в системе микропроцессы. Данный метод будет оперировать величинами, характеризующими систему в целом (пример с объемом, давлением, температурой), основываясь на закон сохранения энергии.
Рисунок 2. Термодинамический метод. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термодинамическая система представляет совокупность макроскопических тел, склонных к взаимодействию и энергетическому обмену не просто между собой, но и с остальными телами (внешней средой). Примером служит жидкость и пребывающий в соприкосновении с ней газ или пар.
Термодинамические системы, не производящие энергетический обмен с внешней средой (при этом веществом они тоже не обмениваются), называются изолированными (замкнутыми).
Термодинамические параметры (параметры состояния) представляют комплекс физических величин, способных охарактеризовать свойства термодинамической системы. Стандартно это давление, температура и объем.
Состояние, в котором хотя бы у какого-то одного из параметров отсутствует определенное значение, будет считаться неравновесным. Равновесное состояние термодинамической системы называется равновесным, демонстрирует ситуация, когда у всех термодинамических параметров есть определенные значения, неизменные с течением времени.
Термодинамический процесс представляет переход системы из одного состояния в иное, при этом фиксируется изменение какого-то из ее параметров. Равновесный процесс (когда такие изменения не наблюдаются) также называется почти статическим.
Математические методы в статистической физике
Математические методы, задействованные в статистической физике, достаточно разнообразны. Так, к ним могут относиться:
- методы квантовой механики и теории поля;
- теория стохастических дифференциальных уравнений;
- теория нелинейных уравнений;
- разнообразные методы математической физики.
Значимая роль в статистической физике досталась численным методам, подразумевающим задействование сверхмощных вычислительных машин. К таковым относят методы Монте-Карло и молекулярной динамики, которые позволяют моделировать реальные процессы и явления и получать недоступную другим методам.
Рисунок 3. Метод Монте-Карло. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Методы Монте-Карло представляют группу численных методов, направленных на изучение случайных процессов. Их суть заключается в процессе, моделируемом с помощью генератора случайных величин. Этому свойственно многократное повторение. Далее (на основе полученных случайных данных) производятся вычисления вероятностных характеристик решаемой задачи.
Так, к примеру, для определения среднего расстояния между двумя случайными точками в круге (посредством вышеуказанного метода) потребуется взять множество случайных пар точек, определить для каждой пары расстояние, а далее усреднить.
Данный метод активно применяется при решении задач в разных областях химии, физики, экономики и пр. Название метода произошло от района Монте-Карло, широко известного своими казино.
Рисунок 4. Молекулярная динамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В методе молекулярной динамики поведение заданной совокупности атомов описано в рамках классической механики с помощью системы простых дифференциальных уравнений движения, численное решение которых производится на компьютере.
