На рис. изображена характерная кривая потенциальной
энергии частицы во внешнем поле центра притяжения,
имеющая глубокий минимум в точке r
0
. Эта кривая
отвечает взаимодействию частицы с полем, которое
приводит к притяжению частицы на больших расстояниях
(r > r
0
) и к отталкиванию на малых (r < r
0
). Двумя
прямыми изображены возможные значения полной
энергии частицы E = T + U . В первом случае |U| >> T, и
частица не может покинуть «потенциальную яму» — эта
ситуация отвечает случаю твердого тела. Во втором случае, когда T >> |U|,
частица свободно покидает яму — имеет место случай газа частиц.
Промежуточный случай отвечает жидкости.
В макроскопической системе все частицы одинаковы, ни одна из них не
является выделенной, и все сказанное может относиться к любой из них. С
другой стороны, и потенциальная, и кинетическая энергии частиц в большой
системе имеют не произвольные значения, а зависят, благодаря взаимодействию
между частицами, от энергии всей системы в целом, которая, в свою очередь,
определяется внешними условиями. В результате наибольшая часть частиц в
макроскопической системе имеет близкие значения как потенциальной, так и
кинетической энергии, поэтому вся система частиц и оказывается в одном из
макроскопических состояний.
Таким образом, система большого числа частиц, образующая
макроскопическое тело; благодаря взаимодействию между частицами,
обнаруживает качественно новые свойства по сравнению с механической
системой конечного числа частиц. Поскольку в формировании этих свойств
участвуют одновременно все частицы большой системы, для их описания уже
недостаточно знания характеристик какой-либо отдельной частицы.
Макроскопические свойства тела определяются суммарными и усредненными
по большому числу частиц величинами. Такой способ описания является
статистическим, а вычисляемые макроскопические характеристики системы
называются термодинамическими переменными. Задание термодинамических
переменных полностью определяет состояние системы. Пользуясь
термодинамическими переменными, можно изучать процессы передачи и
преобразования энергии в физических объектах, не обращаясь к
микроскопической картине. Статистический и термодинамический методы —
основа для изучения явлений и процессов, происходящих в системах, состоящих
из большого числа частиц.
Из всего сказанного следует: несмотря на то что каждая отдельная частица
подчиняется законам механики, поведение системы большого числа частиц уже
не может быть описано законами механики, а подчиняется законам
статистической физики и термодинамики. Возникает вопрос: насколько
большим должно быть число частиц в системе, чтобы ее описание с помощью
законов механики становилось уже недостаточным и система частиц проявляла
бы макроскопические свойства. Для ответа на этот вопрос следует вспомнить,
что говорить о существовании каких-либо физических свойств вещества можно