Третье начало термодинамики (теорема Нернста): определение, формулировка и формула

Термодинамика - фундаментальная наука о теплоте и работе. Ее три основных закона позволяют объяснить множество явлений в природе. Давайте разберемся в нюансах третьего начала термодинамики, заглянув в увлекательный мир абсолютных нулей.

История открытия третьего начала термодинамики

В 1906 году немецкий физико-химик Вальтер Нернст сформулировал закон, который впоследствии назвали третьим началом термодинамики. Он установил, что при стремлении температуры к абсолютному нулю изменение энтропии в изотермическом процессе также стремится к нулю. Это открытие Нернст назвал своей тепловой теоремой.

В 1911 году немецкий физик Макс Планк предложил формулировку третьего начала термодинамики, утверждающую, что энтропия любой системы обращается в ноль при абсолютном нуле температуры. Это соответствует определению энтропии в статистической физике.

Первые два начала термодинамики не позволяли точно определить значение энтропии при абсолютном нуле температуры. Третье начало термодинамики восполнило этот пробел, что открыло путь к нахождению абсолютных значений термодинамических величин.

Суть и физический смысл третьего начала термодинамики

Энтропия - это термодинамическая величина, характеризующая упорядоченность системы. Чем выше энтропия, тем более хаотично движение частиц вещества. При абсолютном нуле температуры (-273,15°С) энтропия достигает минимального значения.

Согласно третьему началу термодинамики, изменение энтропии стремится к нулю при любых равновесных изотермических процессах в системе, когда ее температура приближается к абсолютному нулю.

Физический смысл этого в том, что охладить тело до абсолютного нуля принципиально невозможно - любой процесс изменения энтропии конечен. Этот запрет называют принципом недостижимости абсолютного нуля температуры.

Математическая формулировка теоремы Нернста

Первоначальная формулировка Вальтера Нернста для третьего начала термодинамики выглядела так: Здесь ΔS - изменение энтропии системы, T - температура в кельвинах, k - _B постоянная Больцмана.

Согласно уравнению, предложенному Нернстом, при стремлении температуры к нулю изменение энтропии в любом равновесном изотермическом процессе также стремится к нулю. Современную математическую формулировка третьего начала термодинамики предложил Макс Планк в 1911 году:

Здесь S - энтропия системы при абсолютном нуле температуры, C - некоторая универсальная постоянная. Согласно Планку, энтропия обращается в ноль при температуре, стремящейся к абсолютному нулю. Это позволяет определять абсолютные значения термодинамических величин системы.

Следствия из третьего начала термодинамики

Одним из важнейших следствий третьего начала термодинамики является возможность определить абсолютное значение энтропии. Ранее, опираясь только на первое и второе начала, можно было вычислить лишь изменение энтропии ΔS, а не абсолютную величину.

Еще одним следствием теоремы Нернста является стремление к нулю различных термодинамических величин при температуре, близкой к абсолютному нулю. В частности, к нулю стремятся теплоемкости вещества при постоянном давлении и объеме.

Экспериментальная проверка третьего начала

Второе и третье начала термодинамики невозможно строго доказать теоретически, поэтому большое значение имеет их экспериментальная проверка. Ученые проводили измерения термодинамических свойств различных систем при сверхнизких температурах.

В частности, было показано, что теплоемкость твердых тел и жидкостей экспоненциально убывает с понижением температуры и стремится к нулю при ее приближении к абсолютному нулю. Это подтверждает выводы теоремы Нернста.

Применение третьего начала термодинамики

Знание закономерностей поведения термодинамических систем при сверхнизких температурах позволяет использовать третье начало термодинамики для решения прикладных задач.

С помощью теоремы Нернста можно рассчитать характеристики процессов в криогенной технике, спрогнозировать свойства различных материалов при температурах, близких к абсолютному нулю.

Ограничения третьего начала термодинамики

Третье начало термодинамики справедливо только для равновесных макроскопических систем. В микромире, описываемом квантовой механикой, это начало часто нарушается.

Кроме того, теорема Нернста не выполняется для неравновесных систем, метастабильных и неустойчивых состояний вещества. Поэтому ее применение ограничено рамками термодинамического равновесия.

Альтернативные теории

Несмотря на экспериментальные подтверждения, третье начало термодинамики неоднократно подвергалось критике. Ряд ученых выдвигали альтернативные теории, объясняющие поведение систем при сверхнизких температурах.

Одна из таких теорий предполагает, что при достижении абсолютного нуля происходит фазовый переход вещества в особое квантовое состояние с ненулевым значением энтропии. Это противоречит формуле Планка для третьего начала термодинамики.

Перспективы уточнения теоремы Нернста

Современные эксперименты по достижению сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, открывают перспективы для уточнения и переформулировки третьего начала термодинамики. Уже есть работы, учитывающие квантовые эффекты в поведении термодинамических систем.

В будущем теорема Нернста может быть обобщена с учетом законов квантовой статистики. Это позволит применять ее в более широкой области явлений при ultra-низких температурах.

Роль третьего начала термодинамики в современной науке

Несмотря на ограничения, третье начало термодинамики играет важную роль в таких областях современной науки как:

• Криогенная физика и инженерия
• Физика конденсированного состояния
• Физика низких температур
• Квантовая статистическая физика

Теорема Нернста позволяет объяснить природу многих эффектов при сверхнизких температурах и дает количественный инструментарий для исследований в этой области.

Перспективы практических приложений

Глубокое понимание поведения квантовых и классических систем при температурах, близких к абсолютному нулю, открывает перспективы для различных прикладных технологий будущего.

В частности, идут разработки квантовых компьютеров на основе эффектов квантовой сверхпроводимости, достигаемой при сверхнизких температурах. Знание третьего начала термодинамики критически важно для прогресса в этом направлении.

Эксперименты по достижению температур, близких к абсолютному нулю

Важную роль в изучении свойств веществ при сверхнизких температурах играют эксперименты, целью которых является максимально возможное приближение к абсолютному нулю.

Одним из рекордных достижений является эксперимент 2003 года в Массачусетском технологическом институте, когда физикам удалось охладить газ натрия до температуры в 450 пикокельвин (0,00000045 К).

Подобные опыты позволяют лучше изучить квантовые эффекты и аномалии в поведении веществ при ultra-низких температурах. Это важно для уточнения и расширения третьего начала термодинамики.

Квантовые ограничения третьего начала термодинамики

Хотя третье начало термодинамики справедливо для макроскопических систем при равновесных процессах, на микроуровне это начало часто нарушается.

Например, в квантовой механике с использованием статистики Бозе-Эйнштейна энтропия квантового конденсата при абсолютном нуле не обращается в ноль.

Подобные квантовые эффекты заставляют пересматривать классическую формулу Планка для описания поведения систем при сверхнизких температурах.

Перспективы объединения термодинамики и статистической физики

Для полного объяснения природы третьего начала термодинамики и аномалий при сверхнизких температурах необходимо объединение подходов термодинамики и статистической физики.

Развитие квантовой статистики открывает путь к созданию единой теории, описывающей поведение систем как на макро-, так и на микроуровне вплоть до абсолютного нуля.

Это позволит глубже понять фундаментальную природу третьего начала термодинамики и расширить сферу его применимости.