Fizica Statistică

Toate experimentele confirma ca orice corp macroscopic este alcatuit dintr-un numar imens de particule. Astfel, un mol de heliu contine atomi de heliu, iar un mol de NaCl contine tot ioni de si tot atâtia ioni de . Din acest exemplu extragem doua constatari:

- prima constatare este ca numarul de particule din care se compune un corp macroscopic este enorm;

- a doua constatare este ca natura acestor particule depinde de corpul macroscopic studiat, putând fi atomi, molecule, ioni, electroni, etc.

Cum fiecarei particule complexe îi corespund mai multe grade de libertate este practic imposibil sa abordam evolutia unui sistem de particule prin prisma ecuatiilor dinamicii clasice pentru a obtine proprietatile macroscopice ale sistemului. O astfel de abordare ar fi si lipsita de sens întrucât la nivel microscopic particulele sunt într-o miscare continua ceea ce înseamna ca starea microscopica a sistemului se modifica încontinuu, starea macroscopica rezultata ramânând neschimbata. Altfel spus, unei stari termodinamice realizate în conditii macroscopice bine determinate îi corespund o multime de stari microscopice diferite, în timp ce microstarea determina complet macrostarea.

Totalitatea starilor microscopice compatibile cu o stare macroscopica data se numeste ansamblu statistic virtual de microstari.

Prin urmare este evident ca pentru a obtine informatii asupra macrostarii corpului este inutil sa abordam separat miscarea fiecarei particule în parte, fiind suficient sa studiem structura colectivului de microstari compatibile cu conditiile macroscopice date.

Miscarea ansamblului virtual de stari microscopice este determinata de comportarea fiecarei stari microscopice aceasta la rândul ei fiind determinata de evolutia fiecarei particule în parte care se presupune ca se desfasoara conform legilor clasice cunoscute.

Se mai presupune ca se cunosc toate fortele care actioneaza asupra particulelor individuale (atât cele interne cât si cele externe) si ca aceste forte sunt conservative, ceea ce implica faptul ca energia totala a sistemului este o constanta a miscarii (se conserva în decursul evolutiei sistemului).

Spre deosebire de termodinamica disciplina bazata pe aspectul fenomenologic sau macroscopic construita în baza unor principii si postulate, fizica statistica  organizata de asemenea în baza unor postulate  studiaza structura microscopica a sistemelor termodinamice în baza rezultatelor calculului probabilitatilor si ale statisticii matematice. Aceste doua discipline sunt discipline complementare într-o dependenta necesara : termodinamica ofera informatia ceruta de modelele statistice si contureaza cadrul de valabilitate al acestora, în timp ce fizica statistica permite obtinerea si interpretarea unitara a unor rezultate utile termodinamicii (de exemplu ecuatiile termice si calorice de stare).Ca si termodinamica si fizica statistica studiaza sisteme termodinamice aflate în starea de echilibru sau într-o stare apropiata de aceasta. Echilibrul termodinamic este un echilibru static (parametrii macroscopici ramân constanti) în timp ce echilibrul statistic este dinamic în sensul ca pozitiile si vitezele particulelor aflate în miscare continua variaza în spatiu si timp.

Recapitulam principiile rezultate ale termodinamicii:

" Termodinamica este acea parte a fizicii fenomenologice care analizeaza conditiile si relatiile cantitative implicate în transformarile energetice ale sistemelor de corpuri sau ale câmpurilor în interactiune.

" Termodinamica se dezvolta ca disciplina de sine statatoare în baza a doua postulate si trei principii.

Primul postulat: Un sistem termodinamic izolat, ajunge întotdeauna dupa un

interval oarecare de timp în starea de echilibru termodinamic si nu poate iesi de la sine (fara interventie din exterior) din aceasta stare.

Postulatul al doilea: Spunem despre doua sisteme termodinamice ca sunt în

echilibru termic (sau echilibru termodinamic) daca aduse în contact nu schimba caldura între ele. Astfel echilibrul termic reclama existenta unui parametru intensiv ce depinde de parametrii extensivi ai sistemului si de energia interna a acestuia. Acest parametru s-a numit temperatura empirica si manifesta proprietatea de tranzitivitate. Postulatul al doilea afirma ca tranzitivitatea este o proprietate fundamentala a echilibrului termic.

" Energia interna a unui sistem termodinamic rezulta din contributia tuturor formelor de miscare si de interactiune dintre particulele sistemului: energia miscarii de translatie si a miscarii de rotatie a moleculelor, energia miscarii oscilatorii a atomilor, energia interactiunii moleculare, energia interatomica a nivelelor electronice ocupate, energia dintre legaturile intranucleare, etc.

" Energia totala a unui sistem se comune din energia interna si energia externa compusa la rândul sau din energia de miscare a sistemului ca întreg si energia potentiala a subsistemelor componente aflate într-un câmp de forte. Transferul de energie însotit de variatia parametrilor externi ai sistemului se numeste lucru mecanic. Energia transferata fara variatia parametrilor externi se numeste caldura.

Lucrul mecanic si cantitatea de caldura sunt forme calitativ neechivalente ale transferului de energie. În timp ce lucrul mecanic poate sa produca cresterea unei energii de orice fel, caldura transferata produce doar modificarea energiei interne a sistemului.

" Primul principiu al termodinamicii: energia interna a unui sistem este functie univoca de starea lui si variaza numai sub influenta unor interactiuni cu exteriorul.

sau în scriere sub forma diferentiala,

din care

relatie ce confirma ca variatia energiei interne a unui sistem termodinamic în urma

evolutiei acestuia între o stare initiala si una finala rezulta din schimbul de caldura si de lucru mecanic cu exteriorul. Ultima relatie exprima si constatarea ca desi si nu sunt diferentiale totale exacte, diferenta este diferentiala totala exacta a energiei interne , ceea ce confera energiei interne calitatea de functie de stare. Asta înseamna ca variatia a energiei interne între o stare initiala si una finala nu depinde de drumul urmat între cele doua stari ci numai de valorile energiei interne între cele doua stari.

Lucrul mecanic si caldura sunt functii de proces variatia lor între doua stari depinzând de tipul procesului care a condus la starea finala.