Теплові процеси в природі вивчає наука термодинаміка. Вона описує все що відбуваються енергетичні перетворення за допомогою таких параметрів, як обсяг, тиск, температура, ігноруючи молекулярне пристрій речовин і об’єктів, а також фактор часу. Ця наука ґрунтується на трьох основних законах. Останній з них має кілька формулювань. Найбільш часто вживаною в сучасному світі є та, яка отримала найменування “постулат Планка”. Закон цей названий в честь вченого, який вивів його і сформулював. Це Макс Планк – яскравий представник наукового світу Німеччини, фізик-теоретик минулого століття.
Перше і друге початку
Перш ніж сформулювати постулат Планка познайомимося спочатку коротко з двома іншими законами термодинамик. Перший з них стверджує повне збереження енергії у всіх ізольованих від зовнішнього світу системах. Наслідком його є заперечення можливості здійснення роботи без зовнішнього джерела, а значить і створення вічного двигуна, який би працював подібним чином (тобто ВД першого роду).
Другий закон говорить про те, що всі системи прагнуть до термодинамічному рівноваги, при цьому нагріті тіла передають тепло більш холодним, але ніяк не навпаки. А після вирівнювання температур між даними об’єктами всякі теплові процеси припиняються.
Постулат Планка
Все згадане вище застосовно до електричних, магнітних, хімічних явищ, а також процесів, що відбуваються в космічному просторі. В наші дні термодинамічні закони набувають особливого значення. Вже зараз вчені інтенсивно працюють у важливому напрямку. Використовуючи зазначені знання, вони прагнуть відшукати нові джерела енергії.
Третє твердження стосується поведінки фізичних тіл при гранично низьких температурах. Як і перші два закону, воно дає знання про основі будови Всесвіту.
Формулювання постулату така Планка:
Ентропія правильно сформованого кристала чистої речовини при абсолютному нулі температури дорівнює нулю.
Дане положення було представлено світу автором у 1911 році. І в ті часи викликало багато суперечок. Проте подальші досягнення науки, а також практичне застосування положень термодинаміки і математичні розрахунки довели його істинність.
Абсолютний температурний нуль
Тепер пояснимо докладніше, у чому сенс третього закону термодинаміки, заснованого на постулаті Планка. І почнемо з такого важливого поняття, як абсолютний нуль. Це сама найменша температура, яку тільки здатні мати тіла фізичного світу. Нижче цієї межі вона, згідно із законами природи, не може опускатися.
За Цельсієм ця величина дорівнює -273,15 градусів. Але на шкалі Кельвіна дана відмітка якраз і вважається початком відліку. Доведено, що при такому стані енергія молекул будь-якої речовини є нульовою. Повністю припиняється їх рух. У кристалічній решітці атоми займають чітке незмінне положення в її вузлах, не будучи здатними навіть незначно коливатися.
Само собою зрозуміло, що всі теплові явища в системі при даних умовах теж припиняються. Про стан правильного кристала при абсолютному температурному нулі і мовить постулат Планка.
Міра безладу
Ми можемо знати внутрішню енергію, об’єм і тиск різних речовин. Тобто володіємо всіма шансами описати макроекономічний стан даної системи. Але це не означає можливість сказати щось певне про микросостоянии якоїсь субстанції. Для цього необхідно знати все про швидкості і положення в просторі кожної з частинок речовини. А число їх вражаюче величезна. При цьому при звичайних умовах молекули перебувають у постійному русі, безперервно стикаються між собою і розлітаються в різні боки, кожні частки миті змінюючи напрямок. А в їх поведінці панує хаос.
Для визначення ступеня безладу у фізиці введена спеціальна величина, яка називається ентропією. Вона характеризує міру непередбачуваності системи.
Ентропія (S) – термодинамічна функція стану, яка служить мірою безладу (невпорядкованості) системи. Можливість протікання ендотермічних процесів обумовлена зміною ентропії, бо в ізольованих системах ентропія мимовільно протікаючого процесу збільшується ΔS > 0 (другий закон термодинаміки).
Ідеально структуроване тіло
Особливо велика ступінь невизначеності в газах. Як відомо, вони не володіють формою і обсягом. При цьому здатні необмежено розширюватися. Частинки газу найбільш рухливі, зважаючи на це, їх швидкість і місце розташування володіє найбільшою непередбачуваністю.
Зовсім інша справа – тверді тіла. У кристалічній структурі кожна з частинок займає певне місце, здійснюючи лише деякі коливання від певної точки. Тут неважко, знаючи становище одного атома, визначити параметри всіх інших. При абсолютному нулі картина і зовсім стає очевидною. Про це і говорить третій закон термодинаміки і постулат Планка.
Якщо подібне підняти тіло над землею, траєкторія руху кожної з молекул системи співпаде з усіма іншими, до того ж виявиться заздалегідь і легко визначається. Коли ж тіло, будучи відпущено, впаде вниз, показники відразу зміняться. Від удару об землю частинки набувають кінетичну енергію. Вона дасть поштовх до теплового руху. А значить збільшиться температура, яка вже не буде нульовою. І тут же виникне ентропія як міра безладу хаотично функціонуючої системи.
Особливості
Будь неконтрольоване взаємодія провокує зростання ентропії. В звичайних умовах вона здатна або залишатися постійною, або зростати, але не зменшуватися. У термодинаміці це виявляється наслідком другого її, вже згаданого раніше, закону.
Стандартні молярні ентропії іноді називають абсолютними энтропиями. Вони не є змінами ентропії, що супроводжують утворення сполуки з вхідних в нього вільних елементів. Слід також зазначити, що стандартні молярні ентропії вільних елементів (у формі простих речовин) не дорівнюють нулю.
З появою постулату Планка абсолютну ентропію з’явився шанс визначити. Однак наслідком цього положення є також те, що в природі температурного нуля по Кельвіну досягти не представляється можливим, а лише максимально до неї наблизитися.
Теоретично передбачити існування температурного мінімуму зумів ще Михайло Ломоносов. Сам же він чисто практично домігся заморозки ртуті до -65° за Цельсієм. В наші дні за допомогою лазерного охолодження частинки речовин доводилися практично до стану абсолютного нуля. Точніше до 10-9 градуси за шкалою Кельвіна. Проте хоч ця величина і нікчемно мала, але все-таки не 0.
Значення
Зазначений раніше постулат, сформульований ще на початку минулого століття Планком, а також подальші роботи в цьому напрямку автора, дали величезний поштовх розвитку теоретичної фізики, наслідком чого стало значне її просування у багатьох областях. І навіть виникла нова наука – квантова механіка.
Спираючись на теорію Планка і постулати Бора, через деякий час, точніше в 1916 році, Альберт Ейнштейн зумів описати мікроскопічні процеси, що відбуваються при русі атомів в речовинах. Всі розробки вказаних вчених були підтверджені пізніше створенням лазерів, квантових генераторів і підсилювачів, а також інших сучасних приладів.
Макс Планк
Цей вчений з’явився на світ у 1858 році в квітні. Планк народився в німецькому місті Кілі в сім’ї відомих військових, вчених, юристів та церковних діячів. Ще в гімназії він виявив чудові здібності до математики та інших наук. Крім точних дисциплін він займався музикою, де теж показав свої неабиякі таланти.
Вступивши до університету, він вибрав для вивчення теоретичну фізику. Далі працював у Мюнхені. Тут же почав займатися термодинамікою, представивши вченому світові свої роботи. У 1887 році Планк продовжував свою діяльність в Берліні. До цього періоду відноситься таке його блискуче наукове досягнення, як квантова гіпотеза, глибокий сенс якої люди змогли зрозуміти тільки пізніше. Дана теорія отримала широке визнання і заслужила науковий інтерес лише на початку XX століття. Але саме завдяки їй Планк здобув широку популярність і прославив своє ім’я.
