Молекулярная физика и термодинамика являются разделами физики, которые направлены на изучение макроскопических процессов в телах, также они связаны с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов используют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода анализа систем: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, а второй относится к термодинамике.
Методы анализа процессов и систем
Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга и образуют единое целое, но отличаются различными методами исследования.
Основные методы исследования содержат такие составляющие, как:
- наблюдение,
- опыт,
- построение предположений,
- проверки экспериментальным путем,
- разработка теорий.
Благодаря методу наблюдения мы можем изучить явление в таком виде, в каком оно существует в природе. К примеру, движение небесных тел изучается исключительно при помощи этого метода.
Опыт является процессом, изучающим явления в искусственно созданных и контролируемых условиях, при этом должны быть устранены любые побочные явления, которые могут помешать. К примеру, изучение зависимости объема газа от давления при неизменной температуре. После проведения подобных исследований и наблюдений можно найти новые сведения и научные факты, которые послужат фундаментом для их обобщения.
Чтобы объяснить экспериментальные данные, используются гипотезы, то есть предположения. Гипотеза выдвигается для того, чтобы объяснить сущность определенного явления или опыта. Она требует проверки и доказательства. Если предположение удачно проходит подобную проверку и его доказывают, то происходит становление научного закона или теории.
Физическая теория содержит информацию, объясняющую сферу явлений природы с одной точки зрения. Эта теория предполагает появление новых законов, которые проходят проверку при помощи различных экспериментов.
Термодинамический метод анализа систем и процессов
Термодинамика – наука, изучающая положения об общих свойствах макроскопических физических систем, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия.
С помощью неё можно определить общие закономерности, указывающие на нахождение равновесия в физических системах. Наука строится на основе фундаментальных начал. Эти принципы являются обобщением наблюдений и выполняются независимо от происхождения объектов, образующих систему. Следовательно, закономерности между физическими величинами имеют универсальный характер.
Основой термодинамики является термодинамический метод для исследования систем, который состоит из частиц, характеризующие систему в целом. Он применяется во многих областях физики, а также химии и в других науках.
Метод направлен на установление связи между характеристиками системы, но не определяет микроструктуру системы и механизм явлений. Если термодинамического метода оказывается недостаточно, то он восполняется статистическим методом, который относится к разделу молекулярной физики. Недостаток термодинамического процесса восполняется статистическим методом, лежащим в основе молекулярной физики.
Для характеристики микроструктурных свойств систем используются макроскопические величины, то есть среднестатистические величины.
Температура газа характеризует кинетическую энергию всех молекул вещества, которые находятся в выделенном объеме.
Основой термодинамического метода является фундаментальный закон природы о сохранении и превращения энергии. Таким образом, все основные термодинамические соотношения, которые составляют математический аппарат термодинамики, выводятся из этого закона. Термодинамика имеет свою особенную форму записи закона сохранения и превращения энергии, благодаря чему достигается универсальность термодинамического метода.
Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории. Это обусловлено тем, что нет таких областей физики и химии, в которых нельзя было бы использовать термодинамический метод. Однако термодинамический метод в какой-то степени ограничен: термодинамика ничего не говорит о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а только устанавливает связь между макроскопическими свойствами вещества.
Если по осям координат откладывать значения любых двух параметров, равновесное состояние системы возможно отобразить при помощи точки на координатной плоскости, термодинамический процесс – сплошной линией. Стрелка, находящаяся на линии, показывает направление процесса.
Рисунок 1. Термодинамический процесс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Статистический метод анализа систем и процессов
Молекулярная физика направлена на изучение строения и свойств различных веществ при помощи молекулярно-кинетических данных. Они основаны на том, что тела состоят из молекул, которые непрерывно двигаются в различных направлениях.
Положение об атомном строении вещества было высказано древнегреческим философом Демокритом.
Те процессы, которые изучает раздел молекулярной физикой, считаются результатом комплексного взаимодействия множества молекул. Законы поведения этих молекул, которые являются статистическими закономерностями, рассматриваются при помощи статистического метода. Он основан на утверждении, что на определение свойств макроскопической системы влияют частицы этой системы, а также особенности их движения и значения динамических характеристик этих частиц: скорость, энергия и так далее. К примеру, температуру тела можно найти благодаря скорости хаотического движения его молекул. Нельзя рассматривать температуру лишь одной молекулы. Можно сказать, что макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь при наличии большого числа молекул.
Статистический метод является основой молекулярной физики и методом исследования систем из большого числа частиц. Этот метод управляет статистическими закономерностями и средними значениями физических величин, определяющих совокупность частиц.
Статистический метод анализа данных применяют во многих областях человеческой деятельности. Этот метод используют всегда, если необходимо получить и обосновать какие-либо суждения о группе объектов или субъектов, имеющих определенную внутреннюю неоднородность. Если подойти к вопросу с рациональной стороны, то можно выделить три вида научной и прикладной деятельности в сфере статистических методов анализа данных, учитывая степень специфичности методов.
Первый тип состоит в разработке и исследовании методов, предназначенных для общего применения, без учета специфики сферы деятельности. Ко второму виду относят разработку и исследование статистических моделей реальных явлений и процессов в соответствии с потребностями той или иной сферы применения. Третий тип - применение статистических методов и моделей для статистического анализа определенных данных.
