Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Согласно этому принципу, «не существует такого протекающего в конечных измерениях кругового процесса, при котором тело охладилось бы до абсолютного нулях. Здесь необходимо отметить следующее. Как указывалось выше, классическая теория приводила к выводу, что при абсолютном нуле теплоемкость тел не может быть равна нулю.
Отсюда делали вывод, что абсолютный нуль недостижим ни при каких условиях. Теоретическое рассмотрение вопроса приводило к заключению, что для достижения абсолютного нуля температуры источник работы должен был бы затратить бесконечно большое количество работы, что невозможно. Однако после создания квантовой теории теплоемкости положение в этом вопросе изменилось: поскольку эта теория приводила к однозначному выводу о равенстве нулю теплоемкости при Т=б, то казалось, что абсолютный нуль достижим, если надлежащим образом провести соответствующий термодннамический процесс.
Вот тут-то против подобного заключения и выступил Нернст со своим принципом недостижимости абсолютного нуля, который он высказал в качестве постулата, обосновав его мысленным экспериментом, основанным на тепловой теореме и втором начале термодинамики. Его предположение о невозможности достижения абсолютного нуля температуры оказалось справедливым, однако оно не вытекало из второго начала термодинамики и являлось следствием третьего начала.
Все трн начала термодинамики Нернст сформулировал в следующей отрицательной форме: '" Смл Хегпа1 гг'. Тьеппогупапй1с ипа арег111ас1ге %аппе. Вег!1пег Вег!сИе, 1912, 8. 134. 230 «1. Нельзя построить машину, которая непрестанно создавала бы теплоту или внешнюю работу иэ ничего. 2. Невозможно построить машину, которая непрестанно превращала бы теплоту окружа>ощей среды во внешнюю работу. 3.
Нельзя изобрести приспособления, отнимающего нацело всю теплоту, т. е. охлаждающего тело до температуры абсолютного нуля» 137, с. 84). В 1918 г. Нернст подвел итоги исследований своей школы, посвяшенных третьему началу термодинамики, в монографии «Теоретические и опытные основания нового теплового закона>, в которой дал развернутый анализ тепловой теоремы и связанных с ней вопросов. Рассмотрел он здесь также и дискуссионные вопросы. Он признал справедливость критических замечаний и подчеркнул, что считает свой тепловой закон независимым от первых двух начал термодинамики. Именно зто обстоятельство дает ему основание принять его в качестве третьего начала: «Подобно обоим тепловь>м началам классической термодинамики,— писал Нгрвст,— и мое начало является квинтэссенцией большого опытного материала, частью положительного, частью отрицательного характера.
Теоретические доказательства, основанные на более или менее произвольных гипотезах, дают только косвенные подтверждения. В особенности выводы молекулярной теории, что иногда упускалось из виду и выдающимися теоретиками, не могут служить для исправления законов термодинамики, а скорее должны сами приспосабливаться к этим законам. Но будет полезно наряду с принципом невозможности перпетуум мобиле (первый закон термодиналшки) и принципом невозможности тепловы машин, которые постоянно превращали в работу теплоту окружающей средь> (второй закон термодинамики), поставить принцип недостижимости абсолютного нуля (новь>й тепловой закон)» [37, с.
199). В связи с этим Нернст ставит вопрос о перспективах дальнейшего развития термодинамики как науки: «Можно ли считать, что термодинамика доведена теперь до окон«атель. ного завершения, или нас ждут в дальнейшем новые тепловые законы?» «Я дума>о, что на этот вопрос можно дать только один и притол> вполне уверенный ответ; именно тот, что если наш тепловой закон по своей универсальности и точности может быть поставлен, как я наде>ось, мне удалось показать, третьим наряду с двумя уже имеющилшся законами, то четвертого или еще дальнейших основных законов быть не моясет... Термодинамика, возможно, исчерпывается, ибо теперь, зная функцшо энергии, мы любой процесс природь> можем рассчитать вполне точно» [37, с.
200]. Дальнейшее развитие термодинамики, согласно Нернсту, должно представляться как раскрытие закономерностей, которым подчиняется энергия: «Этим точно очерчивается круг тех вопросов, разрешая которые термодинамика будет развиваться дальше, если не в смьссле принципов, то в смысле практических применений» [37, с. 200]. В своем прогнозе развития термодинамики Нернст ошибся. Однако благодаря его авторитету мнение о завершенности термодинамики, о том, что ее развитие закончилось, мало-помалу стало распространяться среди физиков. Это мнение, казалось бы, находило свое подтверждение и в том факте, что в течение длительного промежутка времени с момента открытия Нернста не было полу.
чено в термодинамике равноценных результатов. И еще одно обстоятельство способствовало распространению 231 точки зрения Нернста. Дело в том, что к 30-м годам значительных успехов в своем развитии достигла статистическая теория равновесных состояний — статистическая термодинамика. Многим физикам казалось, что эта теория перекрывает термодинамику, превращая ее, по сути дела, во второстепенную науку. Именно этот неверный взгляд на соотношение между феноменологической теорией и статистикой также способствовал распространению мнения о завершенности термодинамики.
Авторы и приверженцы подобных рассуждений упускали нз виду диалектику развития науки вообще. Они не учли того факта, что в любой области знания процесс познания бесконечен, что развитие науки в целом и ее отдельных областей происходит неравномерно, подчас скачкообразно. За длительным периодом непрерывного развития может следовать процесс относительно медленного развития или даже застоя. Но и в этот период не угасает работа мысли: постепенное накопление фактов, иногда, казалось бы, малозначительных, рано или поздно приводит к новому качественному скачку. «Величайшей ошибкой, которую, кстати, очень легко сделать, было бы мнение о том, что современные представления ниуки являются окончптельнылш... Мы никогда не должны забывать (пстория наук зто доказывает), что кождьш успех нашего познания ставит больше проблем, чем решает ..» пг.
Эти слова крупнейшего современного физика Луи де Бройля не следует забывать, давая оценку состояния и перспектив развития любой области науки. Одним из первых физиков, выступивших против концепции завершенности термодинамики, был К. А. Путилов. Еще в 30-х годах он указывал: «Весьма распрострпнено заблуждение, что развитие термодинамики якобы закончилось и будто бьь нет 'уже оснований рассчитывать на ее дальнейший крупньчй прогресс» '". Путилов отмечал, что в термодинамике имеется достаточно много областей, которые находятся в совершенно зачаточном состоянии (термодинамика сжатых газов, биологических процессов и т.
п.) н еще ждут своих исследователей. М. Борн, уже в 50-х годах, давая обзор развития физики за последние полвека 14, с. 208), также говорил, что в этот период (начало ХХ в.) термодинамика с ее известными тогда двумя фундаментальными принципами «рассматривалась как законченная. Во зта самодовольная убежденность была здесь так»се неверна, как и во многих других случаяхм Борн отмечает: «Прогресс и успех в обеинной механике, теории упру ости, акустике, гидро- и аэродиналтике, термодиналшке, электродинамике и оптике достаточно эффектны» (4, с. 211 — 212), '" Л ук де Б рояль.
По тропам науки. М., 1962, с. 317. '" П у т плов А. К. Лекцпв по термодинамике. Изд. Всесоюзн. хвм. об-ва им. Д, И. Менделеева, М., 1939, вып. 1, с. 5. 232 Расширение формулировки третьего начала. Работы Ф. Зимона После работ Нернста и его школы ма третье начало термодинамики анализировалось с различных точек зрения. Оно рассматривалось с точки зрения статистических представлений, с точки зрения квантовой теории, а также проверялось выполнение этого закона в различных случаях. Справедливость этого закона была предметом многочисленных дискуссий и работ па протяжении ряда лет. Уже сам Нсрнст указывал на то обстоятельство, что тепловая теорема находится в противоречии с общепринятой точкой зрения на газовые законы.
Дело в том, что энтропийная константа для газов не должна быть равна нулю, если полагать неограниченной справедливость газовых законов. Но тогда теорема Нернста для газов несправедлива. Если же предполагать применимость ее к газообразному состоянию вещества, то следует признать, что газовые законы перестают выполняться, быть пригодными при низких температурах для идеальных газов. Для объяснения возникшей ситуации, с тем чтобы тепловая теорема сохранила за собой право быть универсальной, Нернст развил свою теорию «вырождения газа>, которая имеет лишь исторический интерес. Проблема была решена только в 1924 г.
А. Эйнштейном, разработавшим квантовую теорию идеального газа. Следует отметить, что еше в 1911 г, сам Нернст сделал попытку рассмотреть свой закон с квантовой точки зрения. Формулировка третьего начала в той форме, какую ей придали Нернст и Планк, как показали дальнейшие исследования, оказалась ограниченной, не охватывающей всех случаев. Необходимость дополнения возникла, в частности, в связи с изучением свойств жидкостей, которые ниже своей температуры кристаллизации могут превращаться не в кристалл, а в стеклоподобную массу.
Уже первые исследования теплоемкости глицерина, начавшиеся в 1922— 1923 гг., выполненные Д. Гиббсоном и У. Джиоком и продолженные Ф. Ланге и другими исследователями, показали, что третье начало термодинамики здесь явно не выполняется. Вследствие этого вновь возник вопрос о справедливости этого закона. Большое значение для выяснения этого вопроса и правильного толкования третьего начала термодинамики имели работы Фрэнсиса Зимона, профессора Оксфордского университета '", и его сотрудников. В результате выполненных Зимоном исследований гли- Зилов Фрэнсис 11893 — 19881 Английский фпэпк.
Научную дсятсльпость начал в !919 г. в Бсрлппс под руководством В. Нсрнста, ассистсптом которого работал до 1923 В послсдующис годы- профсссор Ксмбриджского упивсрситста. т1тсп Лондонского Королевского общсства. В области термодинамики основпыс работы относятся к проблсмам, свяэапным с трстьим началом тсрмодинампьи. 233 перина было установлено, что противоречие с третьим законом— кажущееся.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
