Tepelné procesy v prírode študuje veda termodynamiky. Popisuje všetky prebiehajúce premeny energie pomocou takých parametrov, ako je objem, tlak, teplota, ignoruje molekulárnu štruktúru látok a predmetov, ako aj časový faktor. Táto veda je založená na troch základných zákonoch. Posledný z nich má niekoľko formulácií. V modernom svete sa najčastejšie používa ten, ktorý dostal názov "Planckov postulát". Tento zákon je pomenovaný po vedcovi, ktorý ho odvodil a sformuloval. Toto je Max Planck, bystrý predstaviteľ nemeckého vedeckého sveta, teoretický fyzik minulého storočia.
Prvé a druhé začiatky
Pred formulovaním Planckovho postulátu sa najprv stručne zoznámime s dvoma ďalšími zákonmi termodynamiky. Prvý z nich presadzuje úplné zachovanie energie vo všetkých systémoch izolovaných od vonkajšieho sveta. Jeho dôsledkom je popretie možnosti vykonávať prácu bez externého zdroja, a teda vytvorenie perpetum mobile,ktorý by fungoval podobným spôsobom (t. j. VD prvého druhu).
Druhý zákon hovorí, že všetky systémy majú tendenciu k termodynamickej rovnováhe, zatiaľ čo ohrievané telesá odovzdávajú teplo chladnejším, ale nie naopak. A po vyrovnaní teplôt medzi týmito objektmi sa všetky tepelné procesy zastavia.
Planckov postulát
Všetko uvedené platí pre elektrické, magnetické, chemické javy, ako aj procesy prebiehajúce vo vesmíre. V dnešnej dobe sú mimoriadne dôležité termodynamické zákony. Vedci už teraz intenzívne pracujú dôležitým smerom. Pomocou týchto vedomostí sa snažia nájsť nové zdroje energie.
Tretie tvrdenie sa týka správania sa fyzických tiel pri extrémne nízkych teplotách. Rovnako ako prvé dva zákony poskytuje poznatky o základoch vesmíru.
Formulácia Planckovho postulátu je nasledovná:
Entropia správne vytvoreného kryštálu čistej látky pri teplotách absolútnej nuly je nulová.
Túto pozíciu autor predstavil svetu v roku 1911. A v tých dňoch spôsobil veľa kontroverzií. Následné úspechy vedy, ako aj praktická aplikácia ustanovení termodynamiky a matematických výpočtov však preukázali svoju pravdivosť.
Absolútna teplota nula
Poďme si teraz podrobnejšie vysvetliť, čo znamená tretí termodynamický zákon na základe Planckovho postulátu. A začnime s takým dôležitým pojmom, akým je absolútna nula. Toto je najnižšia teplota, ktorú môžu mať telá fyzického sveta. Pod túto hranicu podľa zákonov prírody nemôže klesnúť.
V stupňoch Celzia je táto hodnota -273,15 stupňov. Ale na Kelvinovej stupnici sa táto značka považuje len za východiskový bod. Je dokázané, že v takomto stave je energia molekúl akejkoľvek látky nulová. Ich pohyb je úplne zastavený. V kryštálovej mriežke atómy zaujímajú jasnú, nemennú polohu v jej uzloch bez toho, aby mohli čo i len mierne kolísať.
Je samozrejmé, že za daných podmienok sa zastavia aj všetky tepelné javy v systéme. Planckov postulát je o stave pravidelného kryštálu pri absolútnej teplote nula.
Miera poruchy
Môžeme poznať vnútornú energiu, objem a tlak rôznych látok. To znamená, že máme všetky šance opísať makrostav tohto systému. To však neznamená, že o mikrostave nejakej látky možno povedať niečo definitívne. Aby ste to dosiahli, musíte vedieť všetko o rýchlosti a polohe každej z častíc hmoty v priestore. A ich počet je impozantne obrovský. Zároveň sú za normálnych podmienok molekuly v neustálom pohybe, neustále na seba narážajú a rozptyľujú sa rôznymi smermi, pričom každý zlomok okamihu menia smer. A ich správanie ovláda chaos.
Na určenie stupňa neusporiadanosti vo fyzike bola zavedená špeciálna veličina nazývaná entropia. Charakterizuje stupeň nepredvídateľnosti systému.
Entropia (S) je funkcia termodynamického stavu, ktorá slúži ako mieraporucha (porucha) systému. Možnosť endotermických procesov je spôsobená zmenou entropie, pretože v izolovaných systémoch sa entropia spontánneho procesu zvyšuje ΔS >0 (druhý zákon termodynamiky).
Dokonale štruktúrované telo
Stupeň neistoty je obzvlášť vysoký v plynoch. Ako viete, nemajú tvar a objem. Zároveň sa môžu neobmedzene rozširovať. Častice plynu sú najmobilnejšie, preto je ich rýchlosť a umiestnenie najviac nepredvídateľné.
Tuhé telá sú celkom iná záležitosť. V kryštálovej štruktúre každá z častíc zaberá určité miesto, pričom z určitého bodu vytvára len nejaké vibrácie. Tu nie je ťažké, poznať polohu jedného atómu, určiť parametre všetkých ostatných. Pri absolútnej nule sa obraz stáva úplne zrejmým. Toto hovorí tretí termodynamický zákon a Planckov postulát.
Ak sa takéto teleso zdvihne nad zem, trajektória pohybu každej z molekúl systému sa zhoduje so všetkými ostatnými, navyše bude vopred a ľahko určená. Keď uvoľnené telo spadne, indikátory sa okamžite zmenia. Od dopadu na zem získajú častice kinetickú energiu. To dá impulz tepelnému pohybu. To znamená, že sa zvýši teplota, ktorá už nebude nulová. A okamžite vznikne entropia ako miera poruchy chaoticky fungujúceho systému.
Funkcie
Akákoľvek nekontrolovaná interakcia vyvoláva zvýšenie entropie. Za normálnych podmienok môže zostať konštantná alebo sa môže zvyšovať, ale nie klesať. V termodynamike sa to ukazuje ako dôsledok jej druhého zákona, ktorý už bol spomenutý vyššie.
Štandardné molárne entropie sa niekedy nazývajú absolútne entropie. Nie sú to zmeny entropie, ktoré sprevádzajú tvorbu zlúčeniny z jej voľných prvkov. Treba tiež poznamenať, že štandardné molárne entropie voľných prvkov (vo forme jednoduchých látok) sa nerovnajú nule.
S príchodom Planckovho postulátu má šancu určiť absolútnu entropiu. Dôsledkom tohto ustanovenia je však aj to, že v prírode nie je možné dosiahnuť nulovú teplotu podľa Kelvina, ale iba sa k nej čo najviac priblížiť.
Michailovi Lomonosovovi sa teoreticky podarilo predpovedať existenciu teplotného minima. Sám prakticky dosiahol zmrazenie ortuti na -65 ° Celzia. Dnes sa pomocou laserového chladenia častice látok dostávajú takmer do stavu absolútnej nuly. Presnejšie, až 10-9 stupňov na Kelvinovej stupnici. Hoci je táto hodnota zanedbateľná, stále to nie je 0.
Význam
Vyššie uvedený postulát, sformulovaný na začiatku minulého storočia Planckom, ako aj následné práce autora v tomto smere dali obrovský impulz rozvoju teoretickej fyziky, čo malo za následok výrazný nárast jejpokrok v mnohých oblastiach. A dokonca sa objavila nová veda - kvantová mechanika.
Na základe Planckovej teórie a Bohrových postulátov sa Albertovi Einsteinovi po určitom čase, presnejšie v roku 1916, podarilo opísať mikroskopické procesy, ku ktorým dochádza pri pohybe atómov v látkach. Všetky pokroky týchto vedcov boli neskôr potvrdené vytvorením laserov, kvantových generátorov a zosilňovačov, ako aj ďalších moderných zariadení.
Max Planck
Tento vedec sa narodil v roku 1858 v apríli. Planck sa narodil v nemeckom meste Kiel v rodine slávnych vojakov, vedcov, právnikov a cirkevných predstaviteľov. Dokonca aj na gymnáziu preukázal pozoruhodné schopnosti v matematike a iných vedách. Okrem exaktných disciplín študoval hudbu, kde prejavil aj svoje nemalé talenty.
Keď nastúpil na univerzitu, rozhodol sa študovať teoretickú fyziku. Potom pôsobil v Mníchove. Tu začal študovať termodynamiku a prezentoval svoju prácu vedeckému svetu. V roku 1887 Planck pokračoval vo svojej činnosti v Berlíne. Toto obdobie zahŕňa taký skvelý vedecký úspech, akým je kvantová hypotéza, ktorej hlboký význam boli ľudia schopní pochopiť až neskôr. Táto teória bola široko uznávaná a vedecký záujem si vyslúžila až na začiatku 20. storočia. Ale práve vďaka nej si Planck získal veľkú popularitu a preslávil svoje meno.
