Οι θερμικές διεργασίες στη φύση μελετώνται από την επιστήμη της θερμοδυναμικής. Περιγράφει όλους τους εν εξελίξει μετασχηματισμούς ενέργειας χρησιμοποιώντας παραμέτρους όπως ο όγκος, η πίεση, η θερμοκρασία, αγνοώντας τη μοριακή δομή ουσιών και αντικειμένων, καθώς και τον παράγοντα χρόνο. Αυτή η επιστήμη βασίζεται σε τρεις βασικούς νόμους. Το τελευταίο από αυτά έχει πολλές συνθέσεις. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο στον σύγχρονο κόσμο είναι αυτό που έλαβε το όνομα «αξίωμα του Πλανκ». Αυτός ο νόμος πήρε το όνομά του από τον επιστήμονα που τον συνήγαγε και τον διατύπωσε. Αυτός είναι ο Μαξ Πλανκ, ένας λαμπρός εκπρόσωπος του γερμανικού επιστημονικού κόσμου, ένας θεωρητικός φυσικός του περασμένου αιώνα.
Πρώτη και δεύτερη αρχή
Πριν διατυπώσουμε το αξίωμα του Planck, ας εξοικειωθούμε πρώτα με δύο άλλους νόμους της θερμοδυναμικής. Το πρώτο από αυτά επιβεβαιώνει την πλήρη διατήρηση της ενέργειας σε όλα τα συστήματα που είναι απομονωμένα από τον έξω κόσμο. Η συνέπειά του είναι η άρνηση της δυνατότητας εκτέλεσης εργασίας χωρίς εξωτερική πηγή, και ως εκ τούτου η δημιουργία μιας μηχανής αέναης κίνησης,που θα λειτουργούσε με παρόμοιο τρόπο (δηλαδή, ένα VD πρώτου είδους).
Ο δεύτερος νόμος λέει ότι όλα τα συστήματα τείνουν σε θερμοδυναμική ισορροπία, ενώ τα θερμαινόμενα σώματα μεταφέρουν θερμότητα σε ψυχρότερα, αλλά όχι το αντίστροφο. Και μετά την εξίσωση των θερμοκρασιών μεταξύ αυτών των αντικειμένων, όλες οι θερμικές διεργασίες σταματούν.
Το αξίωμα του Πλανκ
Όλα τα παραπάνω ισχύουν για ηλεκτρικά, μαγνητικά, χημικά φαινόμενα, καθώς και για διεργασίες που συμβαίνουν στο διάστημα. Σήμερα, οι θερμοδυναμικοί νόμοι έχουν ιδιαίτερη σημασία. Ήδη, οι επιστήμονες εργάζονται εντατικά σε μια σημαντική κατεύθυνση. Χρησιμοποιώντας αυτή τη γνώση, αναζητούν να βρουν νέες πηγές ενέργειας.
Η τρίτη δήλωση αφορά τη συμπεριφορά των φυσικών σωμάτων σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Όπως και οι δύο πρώτοι νόμοι, δίνει γνώση για τη βάση του σύμπαντος.
Η διατύπωση του αξιώματος του Planck είναι η εξής:
Η εντροπία ενός σωστά σχηματισμένου κρυστάλλου μιας καθαρής ουσίας σε απόλυτες μηδενικές θερμοκρασίες είναι μηδέν.
Αυτή η θέση παρουσιάστηκε στον κόσμο από τον συγγραφέα το 1911. Και εκείνες τις μέρες προκάλεσε πολλές διαμάχες. Ωστόσο, τα μετέπειτα επιτεύγματα της επιστήμης, καθώς και η πρακτική εφαρμογή των διατάξεων της θερμοδυναμικής και των μαθηματικών υπολογισμών, απέδειξαν την αλήθεια.
Απόλυτη θερμοκρασία μηδέν
Τώρα ας εξηγήσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες ποια είναι η έννοια του τρίτου νόμου της θερμοδυναμικής, με βάση το αξίωμα του Planck. Και ας ξεκινήσουμε με μια τόσο σημαντική έννοια όπως το απόλυτο μηδέν. Αυτή είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορούν να έχουν μόνο τα σώματα του φυσικού κόσμου. Κάτω από αυτό το όριο, σύμφωνα με τους νόμους της φύσης, δεν μπορεί να πέσει.
Σε Κελσίου, αυτή η τιμή είναι -273,15 βαθμοί. Αλλά στην κλίμακα Kelvin, αυτό το σήμα θεωρείται απλώς το σημείο εκκίνησης. Αποδεικνύεται ότι σε μια τέτοια κατάσταση η ενέργεια των μορίων οποιασδήποτε ουσίας είναι μηδέν. Η κίνησή τους έχει σταματήσει τελείως. Σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, τα άτομα καταλαμβάνουν μια καθαρή, αμετάβλητη θέση στους κόμβους του, χωρίς να μπορούν να αυξομειωθούν έστω και ελαφρά.
Εννοείται ότι όλα τα θερμικά φαινόμενα στο σύστημα σταματούν υπό δεδομένες συνθήκες. Το αξίωμα του Πλανκ αφορά την κατάσταση ενός κανονικού κρυστάλλου σε απόλυτη θερμοκρασία μηδέν.
Μέτρο διαταραχής
Μπορούμε να γνωρίζουμε την εσωτερική ενέργεια, τον όγκο και την πίεση διαφόρων ουσιών. Δηλαδή, έχουμε κάθε ευκαιρία να περιγράψουμε τη μακροπολιτεία αυτού του συστήματος. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι είναι δυνατόν να πούμε κάτι συγκεκριμένο για τη μικροκατάσταση κάποιας ουσίας. Για να γίνει αυτό, πρέπει να γνωρίζετε τα πάντα για την ταχύτητα και τη θέση καθενός από τα σωματίδια της ύλης στο χώρο. Και ο αριθμός τους είναι εντυπωσιακά τεράστιος. Ταυτόχρονα, υπό κανονικές συνθήκες, τα μόρια βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, συγκρούονται συνεχώς μεταξύ τους και διασκορπίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, αλλάζοντας κατεύθυνση κάθε κλάσμα της στιγμής. Και η συμπεριφορά τους κυριαρχείται από χάος.
Για να προσδιοριστεί ο βαθμός διαταραχής στη φυσική, εισήχθη μια ειδική ποσότητα που ονομάζεται εντροπία. Χαρακτηρίζει το βαθμό μη προβλεψιμότητας του συστήματος.
Η εντροπία (S) είναι μια συνάρτηση θερμοδυναμικής κατάστασης που χρησιμεύει ως μέτροδιαταραχή (διαταραχή) του συστήματος. Η πιθανότητα ενδόθερμων διεργασιών οφείλεται σε αλλαγή της εντροπίας, επειδή σε απομονωμένα συστήματα η εντροπία μιας αυθόρμητης διεργασίας αυξάνεται ΔS >0 (ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής).
Τέλεια δομημένο σώμα
Ο βαθμός αβεβαιότητας είναι ιδιαίτερα υψηλός στα αέρια. Όπως γνωρίζετε, δεν έχουν σχήμα και όγκο. Ταυτόχρονα, μπορούν να επεκταθούν επ 'αόριστον. Τα σωματίδια αερίου είναι τα πιο κινητά, επομένως η ταχύτητα και η θέση τους είναι οι πιο απρόβλεπτες.
Τα άκαμπτα σώματα είναι εντελώς άλλο θέμα. Στην κρυσταλλική δομή, κάθε ένα από τα σωματίδια καταλαμβάνει μια συγκεκριμένη θέση, κάνοντας μόνο μερικές δονήσεις από ένα συγκεκριμένο σημείο. Εδώ δεν είναι δύσκολο, γνωρίζοντας τη θέση ενός ατόμου, να καθορίσουμε τις παραμέτρους όλων των άλλων. Στο απόλυτο μηδέν, η εικόνα γίνεται εντελώς προφανής. Αυτό λέει ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής και το αξίωμα του Planck.
Αν ένα τέτοιο σώμα υψωθεί πάνω από το έδαφος, η τροχιά κίνησης καθενός από τα μόρια του συστήματος θα συμπίπτει με όλα τα άλλα, επιπλέον, θα είναι εκ των προτέρων και θα προσδιοριστεί εύκολα. Όταν το σώμα, απελευθερωμένο, πέσει κάτω, οι δείκτες θα αλλάξουν αμέσως. Από το χτύπημα στο έδαφος, τα σωματίδια θα αποκτήσουν κινητική ενέργεια. Θα δώσει ώθηση στη θερμική κίνηση. Αυτό σημαίνει ότι η θερμοκρασία θα αυξηθεί, η οποία δεν θα είναι πλέον μηδενική. Και αμέσως θα προκύψει εντροπία, ως μέτρο της διαταραχής ενός χαοτικά λειτουργικού συστήματος.
Λειτουργίες
Οποιαδήποτε ανεξέλεγκτη αλληλεπίδραση προκαλεί αύξηση της εντροπίας. Υπό κανονικές συνθήκες, μπορεί είτε να παραμείνει σταθερό είτε να αυξηθεί, αλλά όχι να μειωθεί. Στη θερμοδυναμική, αυτό αποδεικνύεται ότι είναι συνέπεια του δεύτερου νόμου της, που ήδη αναφέρθηκε προηγουμένως.
Οι τυπικές μοριακές εντροπίες μερικές φορές ονομάζονται απόλυτες εντροπίες. Δεν είναι αλλαγές εντροπίας που συνοδεύουν το σχηματισμό μιας ένωσης από τα ελεύθερα στοιχεία της. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι τυπικές μοριακές εντροπίες των ελεύθερων στοιχείων (με τη μορφή απλών ουσιών) δεν είναι ίσες με μηδέν.
Με την εμφάνιση του αξιώματος του Planck, η απόλυτη εντροπία έχει την ευκαιρία να προσδιοριστεί. Ωστόσο, συνέπεια αυτής της διάταξης είναι επίσης ότι στη φύση δεν είναι δυνατό να φτάσει κανείς στη θερμοκρασία μηδέν σύμφωνα με τον Kelvin, αλλά μόνο να πλησιάσει όσο το δυνατόν περισσότερο σε αυτό.
Θεωρητικά, ο Mikhail Lomonosov κατάφερε να προβλέψει την ύπαρξη ελάχιστης θερμοκρασίας. Ο ίδιος πρακτικά πέτυχε την κατάψυξη του υδραργύρου στους -65° Κελσίου. Σήμερα, μέσω της ψύξης με λέιζερ, τα σωματίδια των ουσιών φέρονται σχεδόν στην κατάσταση του απόλυτου μηδενός. Πιο συγκεκριμένα, έως και 10-9 βαθμούς στην κλίμακα Kelvin. Ωστόσο, αν και αυτή η τιμή είναι αμελητέα, εξακολουθεί να μην είναι 0.
Σημασία
Το παραπάνω αξίωμα, που διατυπώθηκε στις αρχές του περασμένου αιώνα από τον Planck, καθώς και μεταγενέστερα έργα προς αυτή την κατεύθυνση από τον συγγραφέα, έδωσαν τεράστια ώθηση στην ανάπτυξη της θεωρητικής φυσικής, με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση τηςπρόοδος σε πολλούς τομείς. Και ακόμη και μια νέα επιστήμη εμφανίστηκε - η κβαντική μηχανική.
Με βάση τη θεωρία του Planck και τα αξιώματα του Bohr, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, πιο συγκεκριμένα το 1916, ο Albert Einstein μπόρεσε να περιγράψει τις μικροσκοπικές διεργασίες που συμβαίνουν όταν τα άτομα κινούνται σε ουσίες. Όλες οι εξελίξεις αυτών των επιστημόνων επιβεβαιώθηκαν αργότερα με τη δημιουργία λέιζερ, κβαντικών γεννητριών και ενισχυτών, καθώς και άλλων σύγχρονων συσκευών.
Max Planck
Αυτός ο επιστήμονας γεννήθηκε το 1858 τον Απρίλιο. Ο Πλανκ γεννήθηκε στη γερμανική πόλη Κίελο σε μια οικογένεια διάσημων στρατιωτικών, επιστημόνων, δικηγόρων και εκκλησιαστικών ηγετών. Ακόμη και στο γυμνάσιο, έδειξε αξιόλογες ικανότητες στα μαθηματικά και στις άλλες επιστήμες. Εκτός από τους ακριβείς κλάδους, σπούδασε μουσική, όπου έδειξε και το σημαντικό του ταλέντο.
Όταν μπήκε στο πανεπιστήμιο, επέλεξε να σπουδάσει θεωρητική φυσική. Στη συνέχεια εργάστηκε στο Μόναχο. Εδώ άρχισε να μελετά τη θερμοδυναμική, παρουσιάζοντας το έργο του στον επιστημονικό κόσμο. Το 1887 ο Planck συνέχισε τις δραστηριότητές του στο Βερολίνο. Αυτή η περίοδος περιλαμβάνει ένα τόσο λαμπρό επιστημονικό επίτευγμα όπως η κβαντική υπόθεση, το βαθύ νόημα της οποίας οι άνθρωποι μπόρεσαν να καταλάβουν μόνο αργότερα. Αυτή η θεωρία αναγνωρίστηκε ευρέως και κέρδισε επιστημονικό ενδιαφέρον μόλις στις αρχές του 20ου αιώνα. Αλλά ήταν χάρη σε αυτήν που ο Planck κέρδισε μεγάλη δημοτικότητα και δόξασε το όνομά του.
