1. Идеальный газ

В нашем курсе мы постепенно продвигаемся от простого к сложному. До сих пор мы занимались в основном поведением одной частицы в разных силовых полях и свойствами этих полей. Но реальные физические системы состоят из невообразимо большого числа частиц, так что проследить за движением каждой из них не под силу самым мощным компьютерам. Таким (макроскопическим) системам и посвящен в целом весь данный раздел.

Как это чаще всего и бывает в физике, и не только в физике, мы не можем в данный момент, в самом начале, сформулировать критерий макроскопичности системы. Например, в ядре основного изотопа урана 238 нуклонов, так это макроскопически много или нет? Современные суперкомпьютеры способны за разумное время решить динамическую (на базе уравнений квантовой механики) задачу о поведении такого количества частиц. А если этих частиц N_A = 6·10²³ как в одном моле идеального газа? Легко оценить, сколько времени потребуется многопроцессорному суперкомпьютеру с быстродействием 10¹⁵ операций в секунду (быстродействие в 1 терафлоп) на вычисление суммарной кинетической энергии поступательного движения молекул этого газа по формуле

.

Вычисляя каждое слагаемое необходимо выполнить два умножения и деление, пренебрегая различиями в продолжительности выполнения этих операций, будем считать, что их просто три. Тогда всего операций при вычислении этой суммы примерно 1,8·10²⁴, на это потребуется 1,8·10⁹ секунд, то есть более 50 лет. И это притом, что, если температура газа известна и равна T, то ответ, с относительной погрешностью не более 10^–10 %, имеет вид

где R — универсальная газовая постоянная. Остается выяснить, что такое температура, откуда берется столь малая погрешность,  всегда ли она столь мала и много других вопросов, которым и посвящен данный раздел курса.

В науке сложились два метода изучения свойств вещества и физических явлений, связанных с изменением свойств макроскопических тел: молекулярно-кинетический и термодинамический. Оба метода дополняют друг друга. В этом разделе мы сосредоточимся на молекулярно-кинетическом подходе.