Статистическа физика
(лат. statistics от
status — състояние, и физика).
Разделът от физиката, в който се изучават свойствата на тела, които се състоят от голям брой еднакви частици, въз основа на свойствата на тези частици и на силитe, които действат между тях, се нарича статистическа физика.
Ако е известно колко и какви частици има и по какъв начин взаимодействат помежду си, може ли да се пресметне как ще се движат те? Ако частиците са повече от две на брой, не е известно как да бъде получено точно решение на тази задача. Според закона на Кулон два положително натоварени йона се отблъскват със сила, обратно пропорционална на квадрата от разстоянието между тях.
Макроскопично тяло — тяло,
което се състои от много
частици (електрони, атоми,
молекули и др.).
Като се използва това, лесно може да се определи как йоните ще се движат един спрямо друг. Когато обаче йоните са три или повече, въпреки че е известно как те взаимодействат помежду си, поставената задача не може да се реши точно. Все пак, когато частиците са няколко, получаването на приблизително решение е възможно, докато, ако те са 100 (или даже 10), решението не е по силите дори на най-мощната електронноизчислителна машина.
Средният брой молекули, от
които се състои 1 см³ газ при
температура 0 °С и налягане
0,1 > Ра, е 2,7.10.
Ето защо феноменологичните науки (например термодинамиката), които изучават макроскопичните тела, използват не микроскопични, а макроскопични характеристики (топлопроводимост, топлопоглъщаемост и др.), стойностите на които се взимат наготово от опита. Все пак, напр. в молекулната физика, макроскопичните свойства на телата може да бъдат пресмятани, като се изхожда от микроскопичните им характеристики.
n е броят атоми в единичен интервал скорости; V – скорост:
а – максуелова функция; б – функция на същия брой атоми, изстреляни от атомна пушка Във вакуум
В статистическата физика не се пресмятат точните, а средните стойности на величините, тъй като при много голямото количество частици в обема отклоненията от тези средни стойности са малки. Това се илюстрира от следния пример: при определяне ръста на човека се казва, че той е средно 1,7 м. Това е вярно, защото джуджетата и гигантите са малко на брой в сравнение с цялото население на Земята. Разбира се, средният ръст на баскетболистите е 2 м, докато средният ръст на пигмеите 1,45 м. За да бъде пълно описанието, въвежда се и функция на разпределение, въз основа на която може да се определи колко често се срещат хора с даден ръст (например между 200 и 201 см). По същия начин, както хората от един град или хората на Земята, може да се разглеждат и атомите в някакъв обем газ. Ако газът се намира в състояние на термодинамично равновесие, големините на скоростите, с които атомите му се движат хаотично, се описват с т. нар. максуелова функция на разпределение.
С физичната величина
температура се характеризират
само състояния на
термодинамично равновесие,
т. е. понятието температура
има смисъл само при
максуелово разпределение
по скорости.
В статистическата физика термодинамичната вътрешна енергия се отъждествява със средната енергия на системата. Като следствие на това първият принцип на термодинамиката, въведен въз основа на многобройни опити, се оказва най-просто приложение на закона за съхранение на енергията спрямо движението на съставящите макроскопичното тяло частици. Много важно значение има и статистическото тълкуване на ентропията – тя е вероятността, с която се осъществява дадено състояние. Равновесното състояние се оказва най-вероятно – затова ентропията винаги се увеличава, когато от неравновесно системата преминава към равновесно състояние. Основавайки се на тези примери, може да се каже, че статистическата физика дава възможност да се обосноват феноменологичните науки, като се изхожда от микроскопични представи и данни.
Вж. Електродинамика, Молекулна физика и Термодинамика.