תהליכים תרמיים בטבע נחקרים על ידי מדע התרמודינמיקה. הוא מתאר את כל טרנספורמציות האנרגיה המתמשכות תוך שימוש בפרמטרים כמו נפח, לחץ, טמפרטורה, תוך התעלמות מהמבנה המולקולרי של חומרים וחפצים, כמו גם מגורם הזמן. מדע זה מבוסס על שלושה חוקים בסיסיים. האחרון שבהם יש כמה ניסוחים. הנפוץ ביותר בעולם המודרני הוא זה שקיבל את השם "העמדה של פלאנק". חוק זה נקרא על שם המדען שהסיק וניסח אותו. זהו מקס פלאנק, נציג מבריק של העולם המדעי הגרמני, פיזיקאי תיאורטי של המאה הקודמת.
התחלות ראשונה ושנייה
לפני ניסוח ההנחה של פלאנק, בואו נכיר תחילה בקצרה שני חוקים נוספים של התרמודינמיקה. הראשון שבהם טוען לשימור מוחלט של אנרגיה בכל המערכות המבודדות מהעולם החיצון. התוצאה שלה היא שלילת האפשרות לעשות עבודה ללא מקור חיצוני, ומכאן יצירת מכונת תנועה תמידית,שיעבוד בצורה דומה (כלומר, VD מהסוג הראשון).
החוק השני אומר שכל המערכות נוטות לשיווי משקל תרמודינמי, בעוד שגופים מחוממים מעבירים חום לגופים קרים יותר, אך לא להיפך. ולאחר השוואת הטמפרטורות בין העצמים הללו, כל התהליכים התרמיים נעצרים.
הנחיה של פלאנק
כל האמור לעיל חל על תופעות חשמליות, מגנטיות, כימיות, כמו גם תהליכים המתרחשים בחלל החיצון. כיום, חוקים תרמודינמיים הם בעלי חשיבות מיוחדת. כבר עכשיו, מדענים עובדים באינטנסיביות בכיוון חשוב. באמצעות הידע הזה, הם מחפשים למצוא מקורות אנרגיה חדשים.
המשפט השלישי נוגע להתנהגות של גופים פיזיים בטמפרטורות נמוכות במיוחד. כמו שני החוקים הראשונים, הוא נותן ידע על בסיס היקום.
נוסח ההנחה של פלאנק הוא כדלקמן:
האנטרופיה של גביש שנוצר כהלכה של חומר טהור בטמפרטורות אפס מוחלטות היא אפס.
עמדה זו הוצגה לעולם על ידי המחבר ב-1911. ובימים ההם עורר הרבה מחלוקת. עם זאת, ההישגים הבאים של המדע, כמו גם היישום המעשי של הוראות התרמודינמיקה והחישובים המתמטיים, הוכיחו את אמיתותו.
טמפרטורה אבסולוטית אפס
עכשיו בואו נסביר ביתר פירוט מהי המשמעות של החוק השלישי של התרמודינמיקה, בהתבסס על ההנחה של פלאנק. ובואו נתחיל עם מושג חשוב כמו אפס מוחלט. זוהי הטמפרטורה הנמוכה ביותר שיכולה להיות רק בגופי העולם הפיזי.מתחת לגבול זה, לפי חוקי הטבע, הוא לא יכול ליפול.
בצלזיוס, ערך זה הוא -273.15 מעלות. אבל בסולם קלווין, הסימן הזה נחשב רק לנקודת ההתחלה. הוכח שבמצב כזה האנרגיה של המולקולות של כל חומר היא אפס. תנועתם נעצרת לחלוטין. בסריג קריסטל, אטומים תופסים מיקום ברור ובלתי משתנה בצמתים שלו, מבלי שהם יכולים לנוע אפילו מעט.
מובן מאליו שכל התופעות התרמיות במערכת נעצרות גם בתנאים נתונים. ההנחה של פלאנק עוסקת במצב של גביש רגיל בטמפרטורה אפס מוחלטת.
מידה של אי-סדר
אנו יכולים לדעת את האנרגיה הפנימית, הנפח והלחץ של חומרים שונים. כלומר, יש לנו כל סיכוי לתאר את מצב המקרו של המערכת הזו. אבל זה לא אומר שאפשר להגיד משהו ברור על מצב המיקרו של חומר כלשהו. כדי לעשות זאת, אתה צריך לדעת הכל על המהירות והמיקום בחלל של כל אחד מחלקיקי החומר. ומספרם עצום בצורה מרשימה. יחד עם זאת, בתנאים רגילים, המולקולות נמצאות בתנועה מתמדת, מתנגשות זו בזו כל הזמן ומתפזרות לכיוונים שונים, משנות כיוון בכל שבריר רגע. וההתנהגות שלהם נשלטת על ידי כאוס.
כדי לקבוע את מידת האי-סדר בפיזיקה, הוכנסה כמות מיוחדת הנקראת אנטרופיה. זה מאפיין את מידת אי-החיזוי של המערכת.
אנטרופיה (S) היא פונקציית מצב תרמודינמית המשמשת כמדדהפרעה (הפרעה) של המערכת. האפשרות לתהליכים אנדותרמיים נובעת משינוי באנטרופיה, מכיוון שבמערכות מבודדות האנטרופיה של תהליך ספונטני גדלה ΔS >0 (החוק השני של התרמודינמיקה).
גוף בעל מבנה מושלם
מידת אי הוודאות גבוהה במיוחד בגזים. כידוע, אין להם צורה ונפח. יחד עם זאת, הם יכולים להתרחב ללא הגבלת זמן. חלקיקי הגז הם הניידים ביותר, ולכן המהירות והמיקום שלהם הם הבלתי צפויים ביותר.
גופים קשיחים הם עניין אחר לגמרי. במבנה הגבישי, כל אחד מהחלקיקים תופס מקום מסוים, ויוצר רק כמה רעידות מנקודה מסוימת. כאן זה לא קשה, לדעת את מיקומו של אטום אחד, לקבוע את הפרמטרים של כל האחרים. באפס מוחלט, התמונה הופכת ברורה לחלוטין. זה מה שאומר החוק השלישי של התרמודינמיקה וההנחה של פלאנק.
אם גוף כזה מורם מעל פני הקרקע, מסלול התנועה של כל אחת ממולקולות המערכת יתאים לכל השאר, יתרה מכך, הוא יהיה מראש ויקבע בקלות. כאשר הגוף, בשחרור, נופל למטה, האינדיקטורים ישתנו מיד. מפגיעה בקרקע, החלקיקים ירכשו אנרגיה קינטית. זה ייתן תנופה לתנועה התרמית. המשמעות היא שהטמפרטורה תעלה, שלא תהיה עוד אפס. ומיד תתעורר אנטרופיה, כמדד לאי-סדר של מערכת המתפקדת בצורה כאוטית.
תכונות
כל אינטראקציה בלתי מבוקרת מעוררת עלייה באנטרופיה. בתנאים רגילים, זה יכול להישאר קבוע או להגדיל, אבל לא לרדת. בתרמודינמיקה, מסתבר שזו תוצאה של החוק השני שלו, שכבר הוזכר קודם לכן.
אנטרופיות טוחנות סטנדרטיות נקראות לפעמים אנטרופיות מוחלטות. הם אינם שינויים באנטרופיה המלווים את היווצרותה של תרכובת מהיסודות החופשיים שלה. יש לציין גם שהאנטרופיות הטוחנות הסטנדרטיות של יסודות חופשיים (בצורת חומרים פשוטים) אינן שוות לאפס.
עם הופעת ההנחה של פלאנק, יש סיכוי לאנטרופיה מוחלטת להיקבע. אולם, תוצאה של הוראה זו היא גם שבטבע לא ניתן להגיע לטמפרטורה אפס לפי קלווין, אלא רק להתקרב אליה ככל האפשר.
באופן תיאורטי, מיכאיל לומונוסוב הצליח לחזות את קיומו של מינימום טמפרטורה. הוא עצמו השיג כמעט את הקפאת הכספית ל-65 מעלות צלזיוס. כיום, באמצעות קירור בלייזר, מביאים את חלקיקי החומרים כמעט למצב של אפס מוחלט. ליתר דיוק, עד 10-9 מעלות בסולם קלווין. עם זאת, למרות שערך זה זניח, הוא עדיין לא 0.
משמעות
ההנחה שלעיל, שנוסחה בתחילת המאה הקודמת על ידי פלאנק, כמו גם יצירות עוקבות בכיוון זה על ידי המחבר, נתנו תנופה עצומה לפיתוח הפיזיקה התיאורטית, והביאו לעלייה משמעותית בההתקדמות בתחומים רבים. ואפילו מדע חדש צץ - מכניקת הקוונטים.
בהתבסס על התיאוריה של פלאנק והנחותיו של בוהר, לאחר זמן מה, ליתר דיוק ב-1916, אלברט איינשטיין הצליח לתאר את התהליכים המיקרוסקופיים המתרחשים כאשר אטומים נעים בחומרים. כל ההתפתחויות של מדענים אלה אושרו מאוחר יותר על ידי יצירת לייזרים, מחוללי קוונטים ומגברים, כמו גם מכשירים מודרניים אחרים.
Max Planck
מדען זה נולד בשנת 1858 באפריל. פלאנק נולד בעיר קיל בגרמניה במשפחה של אנשי צבא מפורסמים, מדענים, עורכי דין ומנהיגי כנסיות. אפילו בגימנסיה, הוא הראה יכולות יוצאות דופן במתמטיקה ובמדעים אחרים. בנוסף לדיסציפלינות מדויקות, הוא למד מוזיקה, שם גם הראה את כישרונותיו הניכרים.
כשנכנס לאוניברסיטה, הוא בחר ללמוד פיזיקה תיאורטית. אחר כך עבד במינכן. כאן הוא החל ללמוד תרמודינמיקה, והציג את עבודתו לעולם המדעי. ב-1887 המשיך פלאנק בפעילותו בברלין. תקופה זו כוללת הישג מדעי מבריק כמו ההשערה הקוונטית, שמשמעותה העמוקה אנשים הצליחו להבין רק מאוחר יותר. תיאוריה זו זכתה להכרה נרחבת וזכתה להתעניינות מדעית רק בתחילת המאה ה-20. אבל בזכותה זכה פלאנק לפופולריות רחבה והאדיר את שמו.
