Основы термодинамики. Что стоит за словами "термодинамика" и "статистическая физика"

Страницы работы

Содержание работы

ЭТОТ НЕОБРАТИМЫЙ, НЕОДНОЗНАЧНЫЙ МИР

Ясен и прост был мир по Ньютону. Согласно законам механики, в этом мире двигались частицы. Всё происходящее с ними и состоящими из них материальными телами — результат этого движения. Надо только уметь правильно его понять и рассчитать — и тогда можно познать суть вещей. К началу XIX в. таким способом было описано практически всё, за исключением теплоты и электричества. Их пытались объяснить не одно столетие. Но самое большее,что смогли придумать учёные, — это ввести для каждого явления невесомую всепроникающую субстанцию: для электричества -эфир, для теплоты — теплород (см. дополнительный очерк «Разгадка природы теплоты» в томе «Физика», часть 1, «Энциклопедии для детей»). Позднее убедились, что никакого теплорода нет, а есть такой вид движения частиц, для описания которого одних уравнений Ньютона недостаточно; к ним необходимо добавить принцип однонаправленности.

Что же представляет собой однонаправленность? Это одностороннее — из прошлого в будущее — течение времени. В механике время не столь уж важный параметр: все движения и процессы в ней обратимы. Их можно повернуть вспять во времени, и... всё будет подчинено тем же законам. Речь, естественно, идёт об идеальных объектах, подчиняющихся ньютоновым уравнениям движения. И только в отсутствие трения — в противном случае часть энергии теряется и движение в обратном направлении уже не приводит к первоначальному состоянию. В электродинамике происходит то же самое, что и в механике. Но когда имеют дело с теплотой, наблюдается совершенно другая картина. Например, мы нагрели чайник, вода в нём закипела, потом выкипела... Попробуйте проделать это в обратном порядке! Не получится — процесс необратим.

В попытках осознать необратимость, или однонаправленность, тепловых процессов родилась термодинамика. Она представляет собой свод законов для всех тепловых процессов, необратимость которых ниоткуда не следует, а просто постулируется, т. е. принимается как данность, наблюдаемый факт. Причём неважно, как рассматривать теплоту — в виде теплорода или вида движения, называемого теплотой. Основные принципы теории теплоты как тепловой жидкости сформулировал в 1824 г. французский инженер Никола Сади Карно. И хотя позднее от гипотезы о теплороде пришлось отказаться, Карно правильно угадал структурутеории. Первая механическая теория теплоты — термодинамика была создана в середине XIX в. англичанином Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и немецким физиком Рудольфом Клаузиусом. Название

154

«термодинамика», предложенное Томсоном, тогда означало именно динамическую (механическую) теорию теплоты. Оба учёных рассматривали теплоту как одну из форм механического движения и на этой основе сформулировали общие законы для тепловых процессов. Невзирая на «механичность», теория получилась феноменологической.

Позднее, в попытках понять, откуда берётся необратимость, была разработана микроскопическая теория статистическая механика, которая объясняла, что такое термодинамика с точки зрения классической механики.

Слова «с точки зрения классической механики» здесь надо понимать в более широком смысле: на основе механики, но с привлечением элементов и понятий теории вероятностей, потому что получить необратимость из «обратимой» классической механики без использования дополнительных идей невозможно.

Начало статистическим исследованиям в кинетической теории материи положили англичанин Джеймс Кларк Максвелл и австриец Людвиг Больцман. Завершили построение статистической механики, независимо друг от друга и каждый по-своему, американский физик-теоретик Джозайя Уиллард Гиббс и в ту пору совсем ещё юный Альберт Эйнштейн. Гиббс в 1902 г. издал книгу «Основные принципы статистической механики...», Эйнштейн опубликовал на ту же тему три статьи в журнале «Annalen der Phisik» («Анналы физики») в 1902—1904 гг. Новая теория дала не только объяснение многим тепловым явлениям, но и необычайно плодотворный метод решения любых задач, связанных с большим числом частиц (проблемы многих тел). Проследить за поведением каждой из частиц по отдельности невозможно, так как нельзя ни учесть все силы, действующие на них, ни точно задать начальные условия. Но даже если бы удалось это сделать, никаких вычислительных мощностей не хватило бы для решения всех уравнений движения.

Гораздо удобнее и правильнее описывать объект в целом. Тем более что на уровне целого он обладает такими свойствами, которые для отдельных, составляющих его частиц вообще не имеют смысла, например: температурой, энтропией, давлением. Здесь открывается новый взгляд на мир и ещё один способ его описания. Ранее считалось, что любой объект в данный момент времени находится в каком-то строго определённом состоянии и любая внешняя причина, оказывая воздействие на частицу или поле, вызывает единственное следствие. В статистической механике каждый изучаемый объект в произвольно взятый момент времени может пребывать в одном каком-то состоянии из целого их набора — иногда с равной, но чаще с разной вероятностью. Результат воздействия на объект тоже неоднозначен. Мир перестал быть полностью предсказуемым. У него всякий раз появляется шанс быть тем или иным. Для человека конца XIX — начала XX в. подобный поворот событий стал серьёзным испытанием. Даже Эйнштейн, один из творцов статистической механики, так и не принял квантовой механики, основанной на тех же статистических идеях. Он считал, что «Бог не играет в кости».

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Физика
Тип:
Учебные пособия
Размер файла:
2 Mb
Скачали:
0