Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 98
Текст из файла (страница 98)
в связи с опытами Ф. Экснера. Выше отмечалось, что предпринятый этим физиком расчет скорости движения броуновской частички оказался неточным. В отличие от других ученых, увидевших в этом факте лишний повод для нападок на молекулярно-кинетическую теорию, Смолуховский был уверен, что дело здесь не в том, что молекулы реально не существуют, а в самой методике расчета. Размышляя нзд противоречивыми результатами расчета Экснера, он нашел причину ошибки. Оказалось, что Экснер неверно подсчитывал скорость частички. частичка испытывает множество ударов, и поэтому направление ее движения изменяется настолько часто, что следить за ее действительным движением невозможно.
Каждый раз можно наблюдать только равнодействующую очень большого числа перемещений, 359 и поэтому скорость ее будет значительно превышать наблюдаемую на опыте. Одна пз первых работ Смолуховского по теории броуновского движения появилась в !906 г, и называлась «К кинетической теории броуновского молекулярного движения и суспензий» !29, с. !ЗЗ].
Опубликованные в этом исследовании результаты Смолуховский получил значительно раньше, но медлил с их опубликованием, хотя и считал их «с тех пор веским аргументом в пользу кинетической природы этого явления». Не последнюю роль в затяжке публикации играла и та обстановка, которая сложилась вокруг молекулярно-кинетической теории в связи с походом на нее Оствальда и Маха. Об этом упоминает и сам Смолуховский в одном из своих выступлений, где, характеризуя мировоззрение '«энергетиков» и общее положение в физике начала ХХ века, говорил: «Я помню, как я сам долгое время колебался и медлил с опубликованием моих работ по кинетической теории». Смолуховский получил те же результаты, что и Эйнштейн, хотя он и считал, что его метод «непосредственнее и проще, и поэтому может показаться более убедительным, чем метод Эйни»тейпа».
В последующих своих работах, посвященных теоретической разработке броуновского движения, Смолуховский большое внимание уделяет анализу опытов Перрена и Сведберга, особенно последнего, считая эти опыты бесспорным подтверждением правильности молекулярно-кинетической трактовки необратимых процессов. Результаты опытов Сведберга, как мы видели, он широко использовал для проверки своей теории флуктуаций. Говоря об опытах Перрена, Смолуховский отмечает, что они дают особенно наглядный и убедительный пример неудовлетворительности феноменологической термодинамики, поскольку здесь наблюдатель непосредственно видит отклонения от второго начала в обычной классической его формулировке: частицы, находящиеся у дна кюветки, постоянно сами по себе поднимаются вверх, нарушая тем самым равновесное распределение.
В одном из своих докладов, прочитанных 12 марта 1913 г. во Львове, под названием «Современное состояние атомистической теории» Смолуховский говорил: «Э повседневной жизни мы никогда не наблюдаем явлений, протекающих в противоречии с термодинамическими законами; в частности, камни могут пада~ь только на дно пруда и никогда сами по себе не могут подниматься вверх.
Если бы это вдруг случилось, то безусловный сторонник термодинамики должен был бы считать зто чудом. Однако в опытах Перрена это чудо совершается под микроскопом, мы видим, как частицы гуммигута опускаются на дно, сами собой опять поднимаются, снова опускаются и так пребьгвают в постоянном движении Опыт решает в пользу атомистики там, где она существенно противоречит термодинамике,. Мы можем уже сейчас с достаточным основанием рассматривать броунов- Збо ское два»гение 'как очевидное доказательство нашей молекулярно-кинетической гипотезы» гь. В свете своих исследований броуновского движения и теории флуктуации у Смолуховского сложилась вполне определенная система взглядов на второе начало термодинамики, которую он развил и обосновал в трех итоговых докладах, прочитанных в 1912, 1913 и 1916 гг.
на физических съездах в Мюнстере и Геттингене. Первый из этих докладов, о котором уже упоминалось, назывался «Доступные наблюдению молекулярные явления, противоречащие обычной термодинамике». Характерно начало доклада, отражающее тот сдвиг взглядов, который произошел среди многих физиков к 1912 г. в оценке ими молекулярно-кинетической теории: «Название моего доклада звучит несколько революционно, и я действительно думаю, что лет десять тому назад было бы большим риском отзываться здесь с таким неуважением о традиционном понимании термодинамики.
Однако в настоящее время, во-первых, мы уже не относимся с таким почтением к догмам в физике и, во-вторых, произошел огромный сдвиг в оценке значения 'кинетической атомистики и термодинамики» 15, с. !661. Говоря о значении броуновского движения для обоснования законов термодинамики, Смолуховский отмечает: «то новое, с чем мы здесь встречаемся и что находится в противоречии с обычными установившимися понятиями, заключается лишь, собственно, в том, что здесь впервые серьезно принимается во внимание максвелловский закон распределения скоростей и вообще представление о теплоте как о про~!евое движения, в то время как раньше все зто рассматривали обычно как своего рода поэтические сравнения» [5, с.
!66 †!671. Флуктуационные явления, продолжает Смолуховский, разрешают длительную борьбу между кинетической теорией и феноменологической термодинамикой, решая ее в пользу первой. Рассматривая такие физические явления (критическая опалесценция, природа голубого цвета неба и др.), которые обусловлены флуктуациями плотности, Смолуховский отмечает, что флуктуации «вовсе не являются плодом досужей фантазии спггкулятивных теоретиков, а что мы имеем перед собой физически реальные явления, имеющие Зля микрофиэики основное значение, но во многих случаях играющие роль также и в области обычной макрофиэики» (5, с. !621.
Реальность флуктуаций говорит о том, что второе начало в его классической формулировке Клаузиуса или В. Томсона не может быть принято безоговорочно и необходимо различать формулировки этого закона в области феноменологических явлений и в области микромира. Если с формулировкой Клаузиуса дело обстояло более или менее благополучно, то относительно формулировки Томсона («вечный двигатель второго рода невозможен») возникли дебаты. Некоторые физики, такие, как Липпман, Сведберг, Оствальд, 'ь 5 са о ! а с Ь о чт з !с ! М.
тттуЬбт р!зпт 9!огоцсгпусЬ, тчзтэгзтчз, !Э56, $. 257. 36! полагали, что флуктуационные явления позволяют, по крайней мере принципиально, поставить вопрос об осуществлении вечного двигателя второго рода. Казалось, что максвелловская идея о «демонах», сортирующих молекулы по скоростям, находит теоретическое обоснование в броуновском движении. В свое время еще Гуи высказал мысль, что если бы удалось каким-либо способом упорядочить броуновское движение, то это открыло бы возможность получения даровой энергии. Если французский физик высказал эту мысль как гипотетическое предположение, то Оствальд в 1906 г. прямо говорит о возможности опровержения второго начала: «Представляется нам, что «демоньы Максвелла, которых в молекулярной области моэсно было бы считать безвредными, здесь, в конечной области видимых явлений, имеют открытое лоле для экспериментального опровержения второго начала» ".
Были даже предложены конкретные схемы осуществления вечного двигателя второго рода, большинство которых основывалось на том или ином варианте максвелловских «демонов». Что касается Смолуховского, то сели у него раньше и были какие-либо сомнения на этот счет, то в докладе он уже определенно заявил, что построить любым путем вечный двигатель второго рода невозможно, причем ие потому, что его осуществление связано с непреодолимыми техническими трудностями, а в силу принципиальных обстоятельств. Он рассмотрел несколько мыслимых вариантов вечного двигателя второго рода и показал, что ни один из них, а также и любой другой, не будет в действительности вечным двигателем, потому что наличие флуктуаций будет нарушать его работу.
Так, в тех схемах, где сортировка молекул происходит с помощью клапанного устройства, он не будет работать, потому что молекулярные флуктуации нарушают равновесное состояние клапана. Полезный эффект здесь может быть лишь чисто случайным явлением, поскольку клапан, сам состоящий из молекул и имеющий микроскопически малые размеры, будет только флуктуировать вместо того, чтобы открываться в одну сторону. Чем меньше клапан, тем больше будут эти флуктуации и, следовательно, он будет только непрерывно колебаться.
Таким образом, говорит Смолуховский, нет никаких оснований считать неверной томсоновскую формулировку второго начала. Если мы претендуем на универсальное значение законов термодинамики, то феноменологическая формулировка нуждается «в смягчении». Можно, например, второе начало сформулировать в таком виде: <Нельзя осуществить никакого автоматического приспособления, которое продолжительное время производило бы полезную работу за счет теплоты более низкой температуры» [5, с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
