Страницы истории науки и техники

Термодинамический метод изучения макроскопических свойств системы (макроскопические свойства системы можно непосредственно измерить, например давление, температуру, удельный объем, в отличие от микроскопических свойств, присущих микроэлементам системы — молекулам, атомам и др., прежде всего их координат и импульсов), строится на знании небольшого числа законов, начал, установленных опытным путем. Термодинамика конкретно строится на трех началах: первое начало — закон сохранения энергии, написанный в виде, удобном для определения механической работы, полученной из тепла, второе начало — закон, имеющий большое число различных формулировок, из которых, пожалуй, наибольшее употребление имеют две: 1) невозможен переход теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус) и 2) невозможно создать периодически действующую машину, не совершающую ничего иного, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара тепла (М. Планк); третье начало (теорема В. Нернста): при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.

Достоинством и в то же время недостатком термодинамического метода является его независимость от принятого взгляда на строение вещества. С помощью термодинамического метода можно решать многие важные задачи, вовсе не касаясь вопросов строения вещества.

Приводим слова А. Эйнштейна о термодинамике: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута (к особому сведению принципиальных скептиков)»[297].

Статистическая физика, или статистическая механика, наоборот, основана на определенных представлениях о строении вещества. Другими словами, в ее задачу входит установление зависимости между микроскопическими характеристиками системы (масса, импульс, координаты составляющих систему частиц) и ее макроскопическими параметрами (давление, температура, удельный объем и др.). На первый взгляд кажется, особенно учитывая огромное, фантастически большое число микрочастиц в системе, что поставленная задача нерешима. Действительно, в одном моле вещества (напоминаем, 1 моль вещества — это количество граммов вещества, равное его молекулярному весу, например 12 г ¹²С) содержится, как известно, 6,022 · 10²³ молекул.

Тем не менее эту трудную задачу решить удалось. Статистическая физика, рассматривая вещество как совокупность огромного числа микрочастиц и используя законы теории вероятностей тем более точные, чем на большее число объектов (в данном случае молекул, атомов) они распространяются, дала возможность составить обоснованное представление о существе тепловой энергии и тепловых процессов и решить многие важные задачи.

Это было достигнуто большим числом выдающихся ученых, среди которых в первую очередь необходимо назвать: французского физика и инженера, одного из основателей термодинамики, Никола Леонара Сади Карно (1796–1832), высказавшего впервые существо второго начала-, французского физика и инженера Бенуа Поля Клапейрона (1799–1864), который, исходя из идей Карно, дал геометрическую интерпретацию термодинамических циклов, ввел уравнение, связывающее параметры идеального газа и носящее его имя; немецкого физика Рудольфа Юлиуса Эмануэля Клаузиуса (1822–1888), одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты, давшего одновременно с У. Томсоном первую формулировку второго начала, введшего понятие энтропии, дифференциал которой в равновесном процессе

dS = ^dQ/_T

(где dQ, ккал — подводимое тепло и Т, К — абсолютная температура), а в неравновесном процессе[298]

dS > ^dQ/_T