Механика изучает движение и взаимодействие тел. По существу, она не касается свойств тел, связанных с их внутренней структурой (за исключением свойств упругости и трения). Положение тел в пространстве, скорости их движения относятся к внешним характеристикам. Поэтому можно сказать, что механика изучает внешнее состояние тел. Свойства же тел, обусловленные их внутренней структурой, характеризуют их внутреннее состояние. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория вещества изучают закономерности, связанные с внутренними состояниями тел и с их изменениями. Ясно, что эти науки очень емки по объему, поскольку свойства тел чрезвычайно разнообразны и многочисленны. Ясно также, что их изучают во многих других разделах физики. Ведь механические, электромагнитные, тепловые, химические, оптические свойства тел также обусловлены их внутренней структурой, их внутренним состоянием, и их можно отнести к числу термодинамических. Вместе с тем не все "внутреннее" рассматривается термодинамикой и молекулярно - кинетической теорией. Например, они не исследуют свойств отдельных молекул и атомов, как таковых, свойств их полей и т.д.
Можно указать специфический признак, который позволяет как сами физические системы, так и их свойства отнести к категории именно термодинамических. Этот признак связан со строением макроскопических тел: они построены из большого числа частиц (молекул) одного или нескольких типов, движение которых (именно из-за их большого числа) чрезвычайно сложно и запутанно. Такие системы называются статистическими. Они называются так потому что из - за их сложности точные или, как принято выражаться, динамические методы описания внутреннего состояния тел совершенно неприемлемы. Однако здесь можно использовать методы математической статистики - того раздела теории вероятностей, который разрабатывает методы приближенного описания систем, наделенных, с одной стороны, сложностью, а с другой стороны, массовостью элементов, из которых системы состоят. Таким образом, можно сказать, что термодинамические закономерности, (являющиеся предметом изучения настоящего раздела физики,) - по сути статистические закономерности. Статистические методы заведомо неточны, поэтому можно подумать, что термодинамика как наука должна "отличаться" неопределенностью. Однако статистическая неопределенность тем меньше, чем большее число элементов образует систему. Число же молекул в макротелах обычно невообразимо велико, поэтому статистическая неопределенность в них совершенно ничтожна, а термодинамические закономерности выглядят как вполне определенные.
Наконец, надо разъяснить, почему название настоящего курса двойственное: термодинамика и молекулярно-кинетическая теория вещества. Разница между этими двумя науками касается не предмета, а их методов. Термодинамика хотя и изучает статистические закономерности физических процессов, но строится по дедуктивному плану (наподобие механики) исходя из небольшого числа начальных принципов, в формулировке которых статистика никак не отражается. Исходные принципы термодинамики ("начала") выражают собой общие законы, обоснование которых не приводится в рамках термодинамики: предполагается, что они находятся в согласии с опытом (так - же не дается обоснования законам Ньютона, лежащим в основе механики). В силу общности исходных предположений методы термодинамики обладают большой строгостью. В этом их достоинство. Но имеется и серьезный недостаток. Термодинамика, именно из - за ее общности, часто не в состоянии вывести частные закономерности, характеризующие специфические свойства тех или иных конкретных физических систем. В рамках "чистой" термодинамики эти закономерности приходится привлекать как данные из опыта. Отсюда ясно, что термодинамика как научная теория должна быть чем - то дополнена. Роль этого дополнения и выполняет молекулярно-кинетическая теория. Эта теория целиком опирается на статистические методы. Поэтому она часто именуется статистической физикой. Как строится такая физика? В отличие от термодинамики она исходит не из общих принципов, а из модели молекулярного строения рассматриваемого объекта. Опираясь на механику (атомы рассматриваются как механические системы) и статистику она выводит затем те или иные термодинамические закономерности. Можно пояснить достоинства и недостатки статистической физики в сравнении с термодинамикой. Главное ее достоинство - большая глубина объяснений, наблюдаемых свойств и явлений. Чистая ("феноменологическая") термодинамика описывает внутренние свойства тел, не анализируя их строения. В чистой термодинамике, например, отсутствует понятие атома. Статистическая физика, наоборот, начинает изучение явлений с описания строения тел. Она, может быть, не занимается подробным описанием атомов, однако атомы, их движение, их взаимодействие являются основными понятиями статистической физики, на которых строится модель. Эта модель в той или иной мере упрощает, "огрубляет" явление, что ведет к ограниченности выводов, получаемых на ее основе. В этом недостаток молекулярно-кинетической теории в сравнении с термодинамикой, выводы которой обладают большей общностью и строгостью.
Таким образом, термодинамика и статистическая физика взaимно дополняют одна другую. В современной физике обе теории так "переплелись", что составляют не две науки, как это складывалось исторически, а единую науку, в которой можно разве лишь выделить два метода: термодинамический и статистический, как дополняющие и усиливающие друг друга.