Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики.djvu)

Я. М. ГЕЛЬФЕР ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов физических специальностей высших учебных заведений МОСКВА *ВЫСШАЯ ШКОЛА> !ЗЗ! ББК22.317 Г32 УДК 536.7(075) Рецензент — проф. В. И. Григорьев (Московский государственный универси. тет им.

М. В. Ломоносова) Гельфер Я. М. Г32 История и методология термодинамики и статистической физики: Учеб. пособие.— 2-е изд., перераб. и доп.— Мл Высш. школа, 1981.— 536 с., ил. В перл 1 р.'60 к. В кинге показаны возникновение я эволюция основных понятий„ принцнпов в методов термодинамики и статистической физики. рассмот.

репа история становления и развития этих дисциплин кэк общего раздела современной теоретической фиэикв н как метода исследования свойств вещества и излучения. Большое внимание уделено истории возникновения квантовой гипотезы и созданию квантовой статнстнки. По сравнению с первым изданием гт. 1 — 1999 г.. т. П вЂ” !979 г.) книга при неизменной коипозиции сокращена в объеме, добавлен мате. риал, отражающий новые данные науки. Предназначается для студентов физических.

снениаеьмостей вузов. 1704020000 — 432 ББК 22.317 31 — 81 001(01) — 81 330,1 © Издательство «Высшая школа», 1081 ПРЕДИСЛОВИЕ Первое издание этой книги в двух томах вышло в свет в 1969— 1973 гг. С тех пор каких-либо новых работ по истории термодинамики и статистической физики в отечественной физической литературе не появлялось. Поскольку оба тома двухтомного издания выходили с большим перерывом, то это издание имело ряд недостатков. Поэтому автор решил переиздать свой труд, подвергнув его значительной переработке, оставив в целом структуру книги, содержание и целевую установку без изменений. При этом книга заметно сократилась, что сделало возможным издание ее в одном томе.

В процессе работы над вторым изданием автор неизменно руководствовался добрыми советами н пожеланиями рецензентов первого издания книги. С чувством глубокой скорбя он отдает долг памяти и благодарности проф.М. П. Вукаловичу и проф. П. С. Кудрявцеву. Второе издание книги рецензировал проф. В. И. Григорьев, сделавший ряд полезных советов и замечаний, которые автор учел при подготовке рукописи к изданию. Автор благодарит рецензента за этот нелегкий труд. Автор ВВЕДЕНИЕ Приложив немало усилий, физики мало-помалу дошли до понимания пределов применимости законов термодинамики и исследовали всевозможные области их применения; тем самым было постигнуто глубочайшее значение этих двух принципов термодинамики.

Л. Бриллюэи Воспитательное значение этих двух принципов неоспоримо. Они дают прекрасный пример индуктивного метода в истории их прогрессивного развития и, по-видимому, окончательно останутся в качестве основы нашего представления о внешнем мире. П. Ланжевен История науки в целом, так же как и история отдельных научных дисциплин, не только дает нам картину эволюции идей и основных принципов, лежащих в основе той или иной науки, но и играет большую роль в формировании научного мировоззре- НИЯ. Крупнейшие мыслители как прошлых эпох, так и настоящего времени хорошо понимали и понимают прогрессивную роль истории науки. Это в полной мере относится и к ученым-физикам, многие из которых наряду с оригинальными исследованиями и открытиями внесли большой вклад в развитие истории и методологии науки.

Выдающийся французский физик Поль Ланжевен говорил: еПичто так не способствует общему развитию и формированию сознания, как знакомство с историей творческих усилий человечества в области наука, оживающих в жизнеописаниях великих ученых прошлого и в истории эволюции идей» '. В этом отношении история термодинамики и статистической физики обладает большими возможностями, поскольку термодинамика в системе наук о природе занимает особое место как по общности своих основных принципов, так и по значению в технике и технологии.

Велико и воспитательное значение термодинамики, поскольку методологические и философские вопросы, * Ланжевен П. Избранные произведения. М., !949, с. 31!. возникшие в связи с открытием и дальнейшим развитием ее принципов, не только способствовали правильному пониманию природы тепловых явлений, но и оказали большое влияние на формирование фундаментальныд представлений современной физики. Термодинамика явилась ареной острой идеологической борьбы.

Пожалуй, ее началом стали в какой-то мере уже дискуссии между сторонниками теории теплорода и молекулярно-кинетической теории — ведь теория теплорода основывалась на метафизической концепции невесомых флюидов, а молекулярная теория отражала физическую реальность. В Х1Х в. на почве термодинамики возникли такие, по существу, идеалистические философские концепции, как механицизм и энергетизм, сторонники которых вели непримиримую борьбу против последователей атомистического мировоззрения.

Следует также отметить и возникшую на заре термодинамики проблему «тепловой смерти Вселенной», которая многие годы служила аргументом в борьбе против материалистических взглядов в области космологии. История термодинамики и статистической физики дает в руки преподавателю богатый фактический материал для развития у студентов интереса к истории науки, ее методологии, для правильного понимания ее современного состояния и перспектив дальнейшего развития. И, несомненно, эта же история является хорошим фундаментом для формирования диалектико-материалистического мировоззрения. В настоящей работе достаточно широко рассмотрена история термодинамики, включая и ее статистическое обоснование.

При этом уделено внимание истории приложений основных принципов и методов термодинамики и статистической физики к конкретным системам, а также рассмотрены некоторые методологические и философские вопросы, возникшие на различных этапах их развития. В основу периодизации истории термодинамики была положена логика ее внутреннего развития *. Можно, конечно, использовать и другие принципы периодизации, но нам кажется, что указанный выше принцип позволяет более полно отразить все основные этапы ее развития. В соответствии с этим можно указать четыре о с н о в н ы х п е р и о д а в истории развития термодинамики **.

Первый период, являющийся, по существу, предысторией, начинается с момента появления первых гипотез о природе теплоты в конце ХЧ11 в, и оканчивается в середине Х1Х в.— ко времени открытия принципа эквивалентности теплоты и работы. Это период накопления опытных фактов и наблюдений, период создания первых теорий в области учения о теплоте. Его важнейшими достижениями явились работы, подготовившие великие открытия пер- ' Смл Гельфер Я. М.

Некоторые общие и методологические вопросы истории термодинамики.— В кнз [81. *' В первом издании книги автор выделил в качестве основных три этапа. Однако нет сомнения в том, что период создания неравновесной термодинамики можно рассматривать как четвертый этап ее развития. вой половины Х1Х в.— теорию тепловых машин Сади Карно и принцип эквивалентности теплоты и работы, в которых содержались уже основные идеи принципов термодинамики.

Второй период — это промежуток времени между серединой Х1Х в, и концом 70-х годов того же века. Это время развития феноменологической термодинамики и молекулярно-кинетической теории. Рождение этих теорий было непосредственно связано с принципом эквивалентности. Этот принцип лег в основу формулировки первого начала термодинамики, а его сочетание с теорией Карно привело к формулировке второго начала.

Сочетаниетого же принципа с корпускулярной гипотезой привело к созданию молекулярно-кинетической теории. Отметим, что феноменологическая термодинамика и эта теория в указанное время развивались обособленно друг от друга. Третий период — это период синтеза феноменологических имолекулярно-кинетических представлений, который в конечном итоге привел к возникновению статистической термодинамики. Он начинается с классических работ Больцмана конца 70-х годов Х1Х в. Его завершением можно считать начало ХХ в.— время появления фундаментального труда по статистической механике Гиббса.

Бурный успех как термодинамики, так и статистической физики в решении многих задач физики, химии, технологии и других областях науки и техники привел к убеждению о логической стройности и законченности этих теорий. Подобная точка зрения высказывалась даже некоторыми ведущими исследователями в данной области.

Однако эти ученые, видимо, не приняли вовнимание диалектику развития науки. С начала 30-х годов наступил четвертый период их развития — время создания неравновесной термодинамики и статистической физики, которые составили важнейший раздел современной теоретической физики.

Эти теории своими корнями уходят в классический период развития термодинамики. Следует также отметить большую роль квантовой теории в развитии термодинамики и статистической физики, которая им же и обязана своим происхождением. Поскольку автор придерживается того мнения, что история науки не есть простое изложение фактов н событий, рассматриваемых последовательно в хронологическом порядке, а прежде всего должна показать логику развития науки (причем это даже более важно, чем хронология), то в данной работе уделено соответствующее внимание развитию различных концепций, теорий, борьбе мнений, т.

е. всему тому, что составляет диалектику развития науки вообще. Книга предназначается для студентов и аспирантов тех вузов, где курс термодинамики является профилирующим. Задача книги — показать истоки и развитие важнейших разделов современного естествознания. Она может быть полезной и читателям, интересующимся историей и методологией современной физики. Часть первая РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИИ О ПРИРОДЕ ТЕПЛОТЫ ДО ОТКРЪ|ТИЯ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ. НАКОПЛЕНИЕ ОПЫТНЪ|Х ФАКТОВ И ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ Г Л А В А Ь ДВЕ ГИПОТЕЗЫ О ПРИРОДЕ ТЕПЛОТЫ, ИХ ИСТОКИ И РАЗВИТИЕ 5 1.

Что такое теплота? Первые опыты и наблюдения. Изобретение термометра Со специфическим ощущением тепла и холода человек познакомился еще на заре своего существования, но только через много веков сделал первую попытку осмыслить сущность этого явления. Десятки тысяч лет тому назад человек научился искусственно получать и поддерживать огонь. Это было великим открытием, позволившим человеку начать успешную борьбу с могучими силами природы. Огромная роль огня в жизни человека была причиной того, что огонь уже с незапамятных времен играл важную роль в воззрениях человека на природу.