Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Т. 3. Теория неравновесных систем (Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Т. 3. Теория неравновесных систем.djvu), страница 4

По материалу гл. 3, не охваченному упомянугымн вьцпе пособиями, в качестве лополннтельной литературы можно порекомендовать ьюнографию С.Н. Рытова «Введение в статистическую ралиофизику» (М., 1968, !976)» а по явлениям переноса в твердых телах (гл. 5) — солидную. монографию Дж. Займана «Электроны и фононы» (М., 1962); в более простом. изложении с укаэанными вопросами можно.ознакомиться по книге того же автора «Принципы, теории твердого тела» (М., 1966, гл.

7). В приведенный обзор не вошли многие превосходные и по-настоящему любимые автором книги по статистической физике. Повседневная практика приучила нас 12 Лредигловие ко второму изданию к большим спискам литературы, и если в диссертации, посвященной, как правило, специальному вопросу, библиография включает более трехсот наименований, то это считается чуть ли не нормой (в монографиях бывают н более обширные списки), Если же к учебному пособию, охватывающему широкий круг вопросов, составить подобный список, который своей полнотой украсил бы энциклопедию по статистической физике, то это вряд лн произведет должное впечатление на студента.

И не только потому, что за время обучения на младших курсах он уже успел усвоить, что многочтенне не порождает мудрости. У него просто не хватит времени и терпения, чтобы самостоятельно разобраться в различных обозначениях и наименованиях. Теперь немного о характере изложения.

Конечно, стиль его несколько дидактический, а слог — далеко не тургеневский. При изложении учебного материала автору хотелось избежать сухости, свойственной научным публикациям, и построить пособие так, чтобы оно было понятным без ссылок на солидные математические руководства н толстые монографии, без фраз типа «как легко показать», неоднократно осмеянных юмористами, и без понуждаемого некоторыми авторами с помощью щедро рассылаемых ими занумерованных ссылок на предшествующие формулы бесконечного перелистывания книги в обратном направлении.

Лекционный курс, как правило, обходится без этого *перелистывания». Естественно, что при этом приходится идти на несколько более подробные пояснения, а также напоминания какого-то материала из квантовой и классической механики и т. п., но такие повторения (если они, конечно, не буквальные и не нарочитые) свойственны учебному процессу, и их отражение в учебном пособии, по-видимому, вполне естественно. Автор отдает себе отчет в том, что предлагаемая книга не безупречна. Речь идет не о мелких неточностях и опечатках — они, как известно, неистребимы, а о досадных упущениях и просчетах, а также спорных моментах. Абсолютно совпадающих точек зрения по научным и методическим вопросам не бывает, особенно это касается неравновесной статистической механики, идеи которой и используемые методы еще не достигли «равновесного состояния». Автор предназначает свою книгу по второй части курса «Термодинамика н статистическая физика» в основном для студентов.

Она может послужить пособием по изучению предмета (хотелось бы, чтобы не только в дни экзаменационной сессии), а также позволит наиболее любознательным из них ознакомиться с некоторыми разделами сверх стандартной программы. Автор надеется также, что книга будет полезной и для аспирантов, желающих вспомнить какой-либо вопрос из этого раздела курса, а также для преподавателей, пожелавших позаимствовать опыт преподавания этой дисциплины на физическом факультете МГУ.

Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность академику А. А. Логу- нову за внимание к автору и его работе, академику Н. Н. Боголюбову и академику Л. В. Келдышу за рецензирование предлагаемого издания, полезные замечания и общую поддержку. Автор искренне признателен доценту В.Д. Кукнну, которгяй в течение многих лет являлся лектором параллельного потока. Многочисленные дискуссии с ним способствовали Формированию курса «Термодинамика и статистическая физика», читаемого на физическом факультете; им был предложен целый рял интересных задач, оригинальных способов рассмотрения отдельных проблем, сделано много методических замечаний.

С особой признательностью автор хочет отметить существенный вклад С. И. Зеленского, внимательное и по-настоящему деловое отношение которого к автору н его рукописи способствовало тому, что ее издание стало реальностью, и Г. Е. Горелика, замечания которого как редактора способствовали немалому улучшению рукописи в целом. Введение Когда мы начинаем говорить о неравновесных системах, то прежде всего необходимо отметить, что свойство находиться в неравновесном состоянии присуще всему окружающему нас миру, для которого в целом состояние равновесия просто не существует.

В природе нет абсолютно неподвижных объектов и не бывает полностью равновесных систем. Выделяя (реально или мысленно) из окружающего многообразия отдельные объекты с целью их исследования (экспериментального или теоретического), мы в принципе не можем исключить их взаимосвязанности, их взаимодействия с другими. Это взаимодействие и приводит к постоянному изменению состояний этих объектов исследования даже в тех случаях, когда для этого, казалось бы, нет внутренних причин. Характер этих изменений чрезвычайно многообразен, даже если мы выделим сред них один лишь физические явления. Эффективное развитие теоретических направлений в физике стало возможным лишь после того, как в сознании исследователей угвердилась рациональная классификация физических явлений по определенным разделам, когда физики научились выделять для данной группы систем те характерные типы движений, которые в данном классе явлений доминируют над другими (что позволяет «в нулевом приближении» этими другими просто пренебречь).

Если такой подход удается реализовать, то проявляется некоторая идеализированная замкнутая теоретическая схема описания определенного класса физических явлений. Естественно, что результаты такого теоретического описания по отношению к реальным процессам имеют в некотором смысле характер предельных. Исторически первым примером теории такого типа явилась теоретическая механика — образец построения логически замкнутой теории механического движения материи. Так как эта теория в известной мере стала образцом прн построении других физических теорий уже с другой аксноматикой, то в определенном смысле могут быть правы и те, кто считает Ньютона родоначальником не только классической механики, но и теоретической физики вообще.

Упомянутую выше классификацию физических явлений по отдельным разделам практически можно реализовать, устанавливая каждый раз четкие границы в отношении выбора объекта исследования. В термодинамике и статистической физике ~особенно в неравновесной теории) этот вопрос весьма актуален, так как из всего многообразия практически реализуемых явлений, в которых проявляются эффекты, ;вязанные с молекулярным строением физических объектов, в ведение этой теории зопадает лишь весьма ограниченный их класс.

Несмотря на более чем полуторавековую историю термодинамики, окончательное понимание того, что такое стати=тнческая система, сформировалось лишь в первой четверти двапцатого столетия. Остановимся на некоторых общих положениях макроскопнческой термодинанки и статистической физики, которые будут использованы непосредственно уже з "лелуюшей главе. Краткое их напоминание будет служить также и цели установле-на терминологии и обозначений, которые будут использоваться в дальнейшем. Говоря о том, что мы рассматриваем так называемые термодинамические снесены (нли, что то же самое, статистические системы), мы полагаем, что выбираечый нами объект исследования удовлетворяет целому ряду обязательных условий, 14 Введение совокупность которых, собственно, и определяет понятия термодинамическая (статистическая) система. Напомним основные из этих условий. 1.

Это.системы большого числа взаимодействующих друг с другом и внешними полями частиц. Понятие «болъшое число частиц» в данном случае не безотносительно. Зто ставшее общеупотребительным выражение означает, что в качестве масштаба измерения числа частиц лг в системе выбирается число Авогадро Ло = 602 '10~~.

т, е. рассматриваемая система является макроскопической в том смысле, что она является системой лабораторных размеров, соизмеримой с макроскопическим же исследователем и его приборами, и что для ее описания используются определяемые с помощью этих приборов макросколические параметры, которые характеризуют не динамические особенности отдельных частиц системы, а величины, относящиеся к ней в целом.

К таким параметрам относится температура тела В = йТ (настоянная Бал»ямани й = 1,38... 10 ы эрг/К, Т вЂ” температура по шкале Кельвнна), плотность числа частиц и = лГ/Р' (или удельный объем и = У/11Г), давление р, химический потенциал,и и т.д. Отметим сразу, что так как особенности таких систем установлены (лрежде всего экспериментально как обобщение большого числа опытных данных) именно для них, то число лГ ограничено не только снизу, лГ ~ 1, но и сверху, так как у нас нет достаточных оснований распространять выводы, полученные в земных условиях для систем с числом частиц лГ лГь, на системы макрокосмическнх масштабов (на Вселенную или отдельные ее части).

2. Для каждой термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает (это положение часто называют «нулевмм» началом термодинамики). Состояние термодинамического равновесия — зто такое состояние, когда макросколические (т. е. измеряемые макроскопическими приборами) параметры системы не изменяются с течением времени и когда в системе отсутствуют потоки любого типа, В макроскопической теории нулевзо начало термодинамики выступает как обобщение большого числа опьпов и наблюдений за термодинамическими системами. С микроскопической точки зрения это утверждение не самоочевидно. Отметим два важных свойства состояния термодинамического равновесия.

а) В отличие от равновесного состояния в механике, термодинамическое состояние равновесия является «подвижным», так как предполагает наличие теплового движения частиц. С микроскопической точки зрения параметры такого состояния не фиксированы во времени: их мгновенные значения флуктуируют около средних значений.