Постулат Планка: формулировка, особенности, значение

Тепловые процессы в природе изучает наука термодинамика. Она описывает все происходящие энергетические превращения посредством таких параметров, как объем, давление, температура, игнорируя молекулярное устройство веществ и объектов, а также фактор времени. Эта наука зиждется на трех основных законах. Последний из них имеет несколько формулировок. Наиболее часто употребляемой в современном мире является та, которая получила наименование "постулат Планка". Закон этот назван в честь ученого, который его вывел и сформулировал. Это Макс Планк – яркий представитель научного мира Германии, физик-теоретик прошлого столетия.

Первое и второе начала

Прежде чем сформулировать постулат Планка познакомимся сначала вкратце с двумя другими законами термодинамик. Первый из них утверждает полное сохранение энергии во всех изолированных от внешнего мира системах. Следствием его является отрицание возможности совершения работы без внешнего источника, а значит и создание вечного двигателя, который бы работал подобным образом (то есть ВД первого рода).

Второй закон вещает о том, что все системы стремятся к термодинамическому равновесию, при этом нагретые тела передают тепло более холодным, но никак не наоборот. А после уравнивания температур между данными объектами всякие тепловые процессы прекращаются.

Постулат Планка

Все упомянутое выше применимо к электрическим, магнитным, химическим явлениям, а также процессам, происходящим в космическом пространстве. В наши дни термодинамические законы приобретают особое значение. Уже сейчас ученые интенсивно работают в важном направлении. Используя указанные знания, они стремятся отыскать новые источники энергии.

Третье утверждение касается поведения физических тел при предельно низких температурах. Как и первые два закона, оно дает знание об основе устройства Вселенной.

Формулировка постулата Планка такова:

Энтропия правильно сформированного кристалла чистого вещества при абсолютном нуле температур равна нулю.

Данное положение было представлено миру автором в 1911 году. И в те времена вызвало много споров. Однако последующие достижения науки, а также практическое применение положений термодинамики и математические расчеты доказали его истинность.

Абсолютный температурный нуль

Теперь поясним подробнее, в чем смысл третьего закона термодинамики, основанного на постулате Планка. И начнем с такого важного понятия, как абсолютный ноль. Это самая наименьшая температура, которую только способны иметь тела физического мира. Ниже этого предела она, согласно законам природы, не может опускаться.

По Цельсию эта величина равна −273,15 градусов. Но на шкале Кельвина данная отметка как раз и считается началом отсчета. Доказано, что при таком состоянии энергия молекул любого вещества является нулевой. Полностью прекращается их движение. В кристаллической решетке атомы занимают четкое неизменное положения в ее узлах, не будучи способными даже незначительно колебаться.

Само собой разумеется, что все тепловые явления в системе при данных условиях тоже прекращаются. О состоянии правильного кристалла при абсолютном температурном нуле и вещает постулат Планка.

Мера беспорядка

Мы можем знать внутреннюю энергию, объем и давление различных веществ. То есть обладаем всеми шансами описать макросостояние данной системы. Но это не означает возможность сказать что-то определенное о микросостоянии некоей субстанции. Для этого необходимо знать все о скорости и положении в пространстве каждой из частиц вещества. А число их впечатляюще огромно. При этом при обычных условиях молекулы пребывают в постоянном движении, беспрерывно сталкиваются между собой и разлетаются в разные стороны, каждые доли мгновения меняя направление. А в поведении их главенствует хаос.

Для определения степени беспорядочности в физике введена специальная величина, именуемая энтропией. Она характеризует меру непредсказуемости системы.

Энтропия (S) – термодинамическая функция состояния, которая служит мерой беспорядка (неупорядоченности) системы. Возможность протекания эндотермических процессов обусловлена изменением энтропии, ибо в изолированных системах энтропия самопроизвольно протекающего процесса увеличивается ΔS > 0 (второй закон термодинамики).

Идеально структурированное тело

Особенно велика степень неопределенности в газах. Как известно, они не обладают формой и объемом. При этом способны неограниченно расширяться. Частицы газа наиболее подвижны, ввиду этого их скорость и местоположение обладает наибольшей непредсказуемостью.

Совсем другое дело – твердые тела. В кристаллической структуре каждая из частиц занимает определенное место, совершая лишь некоторые колебания от определенной точки. Здесь нетрудно, зная положение одного атома, определить параметры всех остальных. При абсолютном нуле картина и вовсе становится очевидной. Об этом и говорит третий закон термодинамики и постулат Планка.

Если подобное тело поднять над землей, траектория движения каждой из молекул системы совпадет со всеми остальными, к тому же окажется заранее и легко определима. Когда же тело, будучи отпущено, упадет вниз, показатели сразу изменятся. От удара о землю частицы приобретут кинетическую энергию. Она даст толчок к тепловому движению. А значит увеличится температура, которая уже не будет нулевой. И тут же возникнет энтропия, как мера беспорядка хаотично функционирующей системы.

Особенности

Любое неконтролируемое взаимодействие провоцирует рост энтропии. В обычных условиях она способна либо оставаться постоянной, либо возрастать, но не уменьшаться. В термодинамике это оказывается следствием второго ее, уже упомянутого ранее, закона.

Стандартные молярные энтропии иногда называют абсолютными энтропиями. Они не являются изменениями энтропии, сопровождающими образование соединения из входящих в него свободных элементов. Следует также отметить, что стандартные молярные энтропии свободных элементов (в виде простых веществ) не равны нулю.

С появлением постулата Планка абсолютную энтропию появился шанс определить. Однако следствием из данного положения является также то, что в природе температурного нуля по Кельвину достигнуть не представляется возможным, а лишь только максимально к нему приблизиться.

Теоретически предсказать существование температурного минимума сумел еще Михаил Ломоносов. Сам же он чисто практически добился заморозки ртути до -65° по Цельсию. В наши дни посредством лазерного охлаждения частицы веществ доводились практически до состояния абсолютного нуля. Точнее до 10^-9 градуса по шкале Кельвина. Однако хоть эта величина и ничтожно малая, но все-таки не 0.

Значение

Указанный ранее постулат, сформулированный еще в начале прошлого века Планком, а также последующие работы в данном направлении автора, дали огромный толчок развитию теоретической физики, следствием чего стало значительное ее продвижение во многих областях. И даже возникла новая наука – квантовая механика.

Опираясь на теорию Планка и постулаты Бора, через некоторое время, точнее в 1916 году, Альберт Эйнштейн сумел описать микроскопические процессы, происходящие при движении атомов в веществах. Все разработки указанных ученых были подтверждены позднее созданием лазеров, квантовых генераторов и усилителей, а также других современных приборов.

Макс Планк

Этот ученый появился на свет в 1858 году в апреле. Родился Планк в германском городе Киле в семье известных военных, ученых, юристов и церковных деятелей. Еще в гимназии он проявил замечательные способности к математике и другим наукам. Кроме точных дисциплин он занимался музыкой, где тоже показал свои немалые таланты.

Поступив в университет, он выбрал для изучения теоретическую физику. Далее работал в Мюнхене. Здесь же начал заниматься термодинамикой, представив ученому миру свои работы. В 1887 году Планк продолжил свою деятельность в Берлине. К данному периоду относится такое его блестящее научное достижение, как квантовая гипотеза, глубокий смысл которой люди смогли понять только позднее. Данная теория получила широкое признание и заслужила научный интерес лишь в начале XX века. Но именно благодаря ей Планк снискал широкую известность и прославил свое имя.