Термодинамика и молекулярная физика изучают один и тот же круг вопросов, хотя и разными методами.
Термодинамика изучает тепловые процессы, происходящие при теплопередаче, при превращении внутренней энергии в механическую работу и механической работы во внутреннюю энергию, изменение агрегатного состояния вещества, игнорируя строение вещества и не пытаясь объяснить, почему процессы происходят так, а не иначе. При этом рассматриваются макроскопические тела, тела, состоящие из огромного числа атомов. К примеру, в 1 см3 железа содержится 8,4x10 атомов и даже в 1 мкм атомов будет 84 000 000 000. А 1 мкм3 — это пылинка, причем очень мелкая. Рассмотреть ее можно только в очень сильный микроскоп. И все-таки это макроскопическое тело.
Термодинамика как теория построена на трех законах, чаще называемых началами термодинамики, опирающихся на хорошо проверенные экспериментальные факты. Законы термодинамики также, как и хорошо знакомые вам законы механики, относятся к динамическим законам, выражающим однозначную связь между явлениями или физическими величинами. Тело, не имеющее опоры, обязательно, однозначно упадет на землю, причем падать будет именно с ускорением 9,8 м/с2, и мы всегда можем найти, в какой точке будет находиться тело в выбранный нами момент времени, если знаем начальные координаты и скорость тела. Если я хочу уравновесить груз массой 100 кг па рычаге с помощью груза массой 10 кг, то всегда, обязательно, однозначно отношение плеч должно быть 1:10. И никаких вариантов. Существуют и другие законы — статистические, законы, определяющие вероятность того или иного события, вероятность того, что некоторая физическая величина при определенных условиях лежит в заданном интервале значений. В первом примере мы бросали на землю одно довольно массивное тело, а теперь бросим с достаточно большой высоты пригоршню мелкого песка. Чтобы не осложнять задачу, условимся, что погода абсолютно безветренная. Можем ли мы заранее рассчитать, куда упадет каждая песчинка? Отнюдь нет! В первом примере мы пренебрегли сопротивлением воздуха, что привело бы в расчетах, если бы мы их сделали, к весьма незначительной ошибке. Во втором примере мы пренебречь этим сопротивлением не можем, т. к. здесь сила сопротивления воздуха вполне сопоставима по значению с силой тяжести. Несмотря на безветрие воздух движется, существуют восходящие и нисходящие потоки, есть и горизонтальная составляющая этих потоков, песчинки не совсем одинаковой формы и не совсем одинаковой массы. На движение каждой песчинки влияет множество случайных факторов, учесть которые мы в принципе не в состоянии. Но если мы будем многократно повторять этот опыт в одинаковых условиях, то убедимся, что хотя мы и не можем предсказать поведение каждой песчинки, распределение их по поверхности земли каждый раз будет одинаковым, строго говоря, почти одинаковым, отклонения будут очень малы, причем тем меньше, чем большее число песчинок «участвует» в эксперименте. И время, за которое первая и последняя песчинка достигнут земли, в каждом опыте будет почти одинаковым. Статистически процессы будут происходить одинаково. Статистические законы действуют тогда, когда изучаемых объектов очень много. Атомов, молекул в каждом, даже очень маленьком теле, огромное количество и к ним применимы статистические законы. Именно статистическим методом и пользуется молекулярная физика.