6.7 Третье начало термодинамики

При приближении к абсолютному нулю в поведении различных реальных веществ проявляется определенная закономерность, играющая важную роль в термодинамике и состоящая в том, что при этом энтропия тела в любом равновесном состоянии не зависит от объема, температуры и других термодинамических параметров системы

.

Последний факт непосредственно не связан с первым и вторым началами термодинамики и носит название тепловой теоремы Нернста, из которой следует, что вблизи абсолютного нуля температуры и, определяемые из соотношенийи, равны нулю, так как вторые сомножители в приведенных зависимостяхивблизи абсолютного нуля температуры равны нулю. Вообще приТ=0 теплоемкость любого процесса

Постоянство энтропии при Т=0 означает, что в области абсолютного нуля температуры следовательно, любая из изотерм совпадает с адиабатнойТаким образом всякая изотермическая система ведет себя как адиабатная, а значит она может совершать работу лишь за счет своих внутренних энергоресурсов при изменении ее внутренней энергии. Это означает, что за счет адиабатного расширения термодинамической системы достигнуть абсолютного нуля температуры нельзя. Так же нельзя достигнуть нуля абсолютной температуры за счет отвода тепла, ибо каждое из тел, участвующих в теплообмене, не изменяет свою энтропию, т.е. перестает отдавать тепло окружающей среде.

На основании этого Планк пришел к выводу:

При температуре абсолютного нуля энтропия всех веществ в состоянии равновесия независимо от давления, плотности и фазы обращается в нуль .

Газы при малых, но ощутимых давлениях конденсируются при температурах, значительно превышающих Т=0. Поэтому третье начало термодинамики в основном относится к конденсированным состояниям (т.е. к твердым и жидким). Из всех веществ лишь гелий II остается жидкостью при и давлениях порядка 10⁵ Па. Все другие вещества находятся в твердом состоянии.

Из третьего начала следует важное следствие:

Вблизи абсолютного нуля все термодинамические свойства, характеризующие равновесное состояние термодинамической системы, перестают зависеть от температуры.

Это означает, что частные производные термодинамических параметров по температуре при образуются в нуль.

Третье начало термодинамики представляет собой макроскопическое проявление квантовых свойств материи, на основании чего его можно считать достаточно точным законом.

7. Физика полей

7.1. Определение понятия поля

Переходя к физическим основам концепции современного естествознания, заметим, что в физике существуют фундаментальные понятия. К ним относятся постоянно рассматриваемые в нашем курсе пространство, время и понятие «поле». В механике дискретных объектов, механике Галилея, Ньютона, Декарта, Лапласа, Лагранжа, Гамильтона и других представителей физического классицизма установлено, что силы взаимодействия между дискретными объектами вызывают изменение параметров их движения (скорость, импульс, момент импульса) и энергии.

И это было наглядно и понятно. Однако с изучением природы электричества и магнетизма возникло понимание, что взаимодействовать между собой электрические заряды могут и без непосредственного контакта. В этом случае мы как бы переходим от представления близкодействия к бесконтактному дальнодействию. Это и привело к понятию поля.

Физическим полем называют особую форму материи, связывающую частицы (объекты) вещества в единые системы и передающую с конечной скоростью действие одних частиц на другие.

Такие определения слишком общие и не всегда выражают глубинную и конкретно-практическую сущность понятия. Физики с трудом отказывались от идеи физического контактного взаимодействия тел и для объяснения различных явлений вводили такие модели, как электрическая и магнитная «жидкости»; для механических колебаний частичек среды — модель эфира; использовали понятия оптических флюидов, теплорода, флогистона в тепловых явлениях, описывая их тоже с механической точки зрения; и даже биологи вводили «жизненную силу» для объяснения процессов в живых организмах. Все это были попытки описать передачу действия через материальную («механическую») среду.

Однако в работах Фарадея (экспериментально), Максвелла (теоретически) и многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Выяснилось, что и видимый свет представляет электромагнитные колебания в определенном диапазоне частот. Было установлено, что электромагнитные волны делятся на несколько видов в шкале колебаний:

радиоволны	103 – 10-4 м
световые волны	10-4 – 10-9 м
ИК	5 • 10-4 - 8 • 10-7 м
видимый свет	8 • 10-7 - 4 • 10-7 м
УФ	4 • 10-7 – 10-9 м
рентгеновское излучение	2 • 10-9 - 6 • 10-12 м
γ-излучение	< 6 • 10-12 м

Что же такое поле? Воспользуемся неким абстрактным представлением (такие же абстракции используются в построении физики микромира и физики Вселенной). Можно сказать, что поле описывается физической величиной, которая в разных точках пространства принимает различные значения. Например, температура — это величина, с помощью которой можно описать поле (в данном случае скалярное) как Т= Τ (х, у, z), или если оно меняется во времени, то Т= Τ (x, у, z, t). Могут быть поля давлений, в том числе и атмосферного воздуха, поле распределения людей на Земле или различных наций среди населения, распределения оружия на Земле, разных песен, животных, всего что угодно. Могут быть и векторные поля, как, например, поле скоростей текущей жидкости. Мы знаем, что скорость (х, у, z) есть вектор. Поэтому записываем скорость движения жидкости в любой точке пространства в момент t в виде (х, у, z, t). Аналогично могут быть представлены и электромагнитные поля. В частности, электрическое поле — векторное, так как кулоновская сила между зарядами есть вектор, определяемый по формуле

_,

где — электрический заряд, — напряженность электрического поля.

Людям трудно было мысленно представить поведение полей, и оказалось, что надо просто рассматривать поле как математические функции координат и времени какого-то параметра, описывающего явление или эффект.

Можно предположить и наглядную простую модель векторного поля и дать его описание. Мысленную картину поля можно представить, начертив во многих точках пространства векторы, которые определяют какую-то характеристику процесса взаимодействия или движения (для потока жидкости — это вектор скорости; электрические явления можно модельно

Рис. 7.1 Модель силовых линий поля

рассматривать как заряженную жидкость со своим вектором напряженности поля и т.д.). Заметим, что определение параметров движения через координаты и импульс в классической механике — это метод Лагранжа, а через векторы скоростей и потоки — это метод Эйлера. Например, модельным представлением электрического поля являются силовые линии (рис. 7.1). По густоте касательных к ним можно судить об интенсивности течения жидкости. Число линий на единицу площадки, расположенной

перпендикулярно к ним, будет пропорционально напряженности электрического поля Е. Хотя картина силовых линий, введенных в 1852 г. М. Фарадеем (1791—1867), очень наглядна, следует понимать, что это лишь условная картина, простая физическая модель (и следовательно, абстрактная), так как, конечно, не существует в природе каких-то линий, нитей, простирающихся в пространстве и способных оказать воздействие на другие тела. Они лишь облегчают рассмотрение процессов, связанных с полями сил.

В рамках такой физической модели можно определить, какое количество жидкости втекает или вытекает из некоторого объема вокруг выбранной точки в поле скоростей или напряженностей. Это связано с представлением о наличии в каком-то объеме источников жидкости и ее стоков, что приводит нас к широко используемым понятиям векторного анализа полей: потока и циркуляции. Несмотря на некоторую абстракцию на самом деле они наглядны, имеют понятный физический смысл и достаточно просты. Под потоком понимают общее количество жидкости, вытекающей в единицу времени через некоторую воображаемую поверхность около выбранной точки. Математически это записывается так:

_,

т.е. количество вытекающей жидкости (поток) равно произведению скорости на площадь поверхности, через которую жидкость вытекает.

С понятием потока связано и понятие циркуляции. Зададим вопрос: циркулирует ли, т.е. проходит ли, жидкость сквозь поверхность выбранного объема? Физический смысл циркуляции состоит в том, что она определяет меру движения (т.е. опять-таки связана со скоростью) жидкости через замкнутый контур (линию L в отличие от потока через поверхность S). Математически это тоже можно записать так:

Конечно, понятия потока и циркуляции несколько абстрактны, но они дают правильные результаты.