ИСТОРИЯ возникновения статистической физики и неравновесной термодинамики

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

  • • основные открытия в химической атомистике в начале XIX в.;
  • • историю ожижения газов, возникновения статистической физики и неравновесной термодинамики;
  • • физическую сущность газовых законов, основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов, распределения Максвелла, уравнения Ван-дер-Ваальса, соотношений взаимности Онзагера, локального термодинамического равновесия, закона возрастания энтропии, точек бифуркации, аттракторов;

уметь

  • • приводить статистическое обоснование второго начала термодинамики, примеры проявления самоорганизации открытых систем;
  • • оценивать вклад Л. Больцмана, Дж. У. Гиббса, Л. Онзагер и И. Р. Пригожина в развитие статистической физики и неравновесной термодинамики;
  • • обсуждать биографии творцов статистической механики и неравновесной термодинамики;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями статистической физики и неравновесной термодинамики.

Ключевые термины: основное уравнение кинетической теории газов, распределение Максвелла, ожижение газов, уравнение Ван-дер- Ваальса, энтропийные диаграммы, неравновесные процессы, соотношения взаимности Онзагера, диссипативные структуры.

Историю рождения статистической физики невозможно представить без истории исследования законов состояния газов, где она находит основное применение. Рассмотрим главные этапы истории их развития. В начале XIX в. атомистика в физике не пользовалась широкой популярностью. В то же время химическая атомистика была одним из основных инструментов исследования. Она получила мощное подтверждение в виде закона постоянства состава, открытого в 1801 г. французским химиком Жозефом Луи Прустом (1784—1826). На основе этого закона Джон Дальтон, сын деревенского ткача, высказал мысль о наличии малых частиц, присущих каждому веществу. В 1802 г. он открыл закон теплового расширения газов, в 1803 г. — закон кратных отношений, вытекающий из атомистической гипотезы.

Джон Дальтон (1776—1844) — английский химик и физик, образование получил самостоятельно, был учителем математики в Манчестере. Главная заслуга Дальтона — развитие атомистических представлений применительно к химии, кроме этого он ввел понятие атомного веса и составил первую таблицу атомных весов элементов. Очень весомы его работы в области газовых законов, где, в частности, он в 1801 г. открыл закон парциальных давлений газов. Дефект зрения — дальтонизм — впервые описан им в 1794 г.

Жозеф Луи Гей-Люссак также в 1802 г. открыл закон расширения газов.

Жозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) — французский физики и химик, родился в 1778 г., окончил Политехническую школу, был затем профессором химии в этой школе и профессором физики в Сорбонне. Его основные работы относятся к области газовых законов, один из которых носит его имя. Гей-Люссак изобрел ряд физических приборов (гигрометр, термометр, спиртомер, насос). Умер ученый в 1850 г.

В 1811 г. итальянский ученый Амедео Авогадро, развивая атомно-молекулярную теорию, установил закон, носящий сегодня его имя.

Амедео Авогадро (1776—1856) — итальянский физик и химик, родился в 1776 г. в Турине. Он получил юридическое образование, однако потом стал самостоятельно изучать физику и математику и в 1803 г. выступил с первой научной работой по электричеству.

С 1834 г. Авогадро — профессор физики Туринского университета. Основные научные работы посвящены молекулярной физике, вылившиеся в знаменитый закон Авогадро. Кроме того, Авогадро был автором первого в истории руководства по молекулярной физике (1837—1841). Скончался ученый в 1856 г.

Постепенно успехи атомизма в химии привели к тому, что он стал использоваться и в физике. В частности, получило новую жизнь предположение о том, что теплота есть форма движения. Оно было высказано Джоулем, к тому времени уже хорошо известным ученым. Считая частицы (молекулы) газа движущимися поступательно, он, исходя из закона сохранения энергии, рассчитал их скорость. При этом Джоуль указывал, что абсолютная температура, давление и «живая сила» (кинетическая энергия) пропорциональны друг другу.

В 1857 г. Клаузиус вывел основное уравнение кинетической теории газов, согласно которому давление газа р равно 2/3 средней кинетической энергии Е всех молекул в единице объема:

Используя понятие идеального газа, он строит свою теорию на основе классической механики, привлекая молекулярные представления и атомистику.

В 1859 г. Максвелл делает доклад «Пояснение к динамической теории газов». Именно здесь он обнародовал свое знаменитое распределение молекул по скоростям. На его основе он вычисляет среднее значение скорости молекул, рассчитывает давление молекул газа о стенки сосуда, длину свободного пробега, число Авогадро и другие величины, которые раньше могли быть получены только эмпирическим путем. Сам Максвелл считал подтверждение закона Авогадро главным достижением этой работы. Сейчас, правда, мы считаем, что главное в ней — это установление распределения молекул по скоростям. Подчеркнем еще раз, что теория, развитая Максвеллом, была основана на ньютоновской механике.

Здесь нам придется коснуться вопросов, которые лежат на стыке физики и философии естествознания. Термодинамические исследования привели ученых к пониманию того, что Вселенная устроена единым образом и молекулы любого вещества абсолютно одинаковы на Земле и на планетах, отдаленных от нее на множество световых лет. Для Максвелла объяснение этого постоянства было непосильным. И все-таки он здесь тоже проявил себя как гений. Он понял, что эта загадка не может быть решена в рамках классической физики.

Ученым XIX в. казалось, что единство мира все-таки нарушается. Главным «бастионом» разделенного мира, было представление о газах как о «совершенных» веществах, имеющих только газовую фазу. С этой точки зрения должно было существовать принципиальное различие между газами и парами. В связи с этим весьма любопытна история ожижения газов. Она начинается с Шарля Каньяра де Латура (1777—1859), чиновника министерства внутренних дел Франции, который в 1822 г. установил, что при определенных условиях различие между жидкостью и газом исчезает. Через год, в 1823 г., М. Фарадей ожижил хлор, а к 1845 г. — еще 15 различных газов. В объяснении этих опытов весомую роль сыграл Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907). Ирландский физик и химик Томас Эндрюс (1813— 1885) к 1863 г. получил изотермы углекислого газа и ожижил его. Он же ввел понятие критической температуры.

Теоретически непрерывность жидкого и газообразного состояния была исследована в диссертации голландского ученого Яна Дидерика Ван-дер-Ваальса, которая вышла в 1873 г., а затем в 1899 г. превратилась в монографию.

Ян Дидерик Ван-дер-Ваальс (1837—1923) — выдающийся нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1910 г.), родился в Лейдене в 1837 г. Окончил Лейденский университет, с 1877 по 1907 г. — профессор Амстердамского университета. Научные работы ученого посвящены молекулярной физике и изучению низкотемпературных явлений. В 1873 г. Ван-дер-Ваальс вывел уравнение состояния реального газа, которое носит его имя. Он также предложил теорию, объясняющую существование и характер критических явлений. Скончался ученый в 1923 г.

В 1910 г. Ван-дер-Ваальсу была присуждена Нобелевская премия по физике. Уравнение Ван-дер-Ваальса описывает состояние реального газа, учитывая конечный объем его молекул и межмолекулярное взаимодействие. Уравнение состояния реального газа теоретически предсказывает наличие газообразного и жидкого состояний для всех веществ без исключения. Однако экспериментально это предсказание еще требовалось подтвердить путем ожижения всех известных газов.

Ожижение газов тесно связано с получением низких температур. Приведем несколько дат и фамилий исследователей, имевших непосредственное отношение к ожижению самых «неподдающихся» газов. В 1877 г. французский инженер Луи- Поль Кайете (1832—1913) ожижил кислород, швейцарец Рауль Пикте (1846—1929) сделал это почти одновременно с ним. Немецкий физик и инженер Карл Линде (1842—1934), используя эффект Джоуля — Томсона, построил установку для сжижения воздуха. В 1898 году английский физик и химик Джеймс Дьюар (1842—1923) получил жидкий (а затем и твердый) водород. Ранее это не удалось ни Пикте, ни польским физикам Сигизмунду Флорентину Врублевскому (1845—1888) и Каролю Ольшевскому (1846—1915). В 1908 г. был наконец ожижен гелий. Это сделал выдающийся нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, которому за это достижение в 1913 г. была присуждена Нобелевская премия. Таким образом, после работ Камерлинг-Оннеса стало ясно, что никаких принципиальных различий между газами и парами не существует, а все вещества во Вселенной имеют газообразное, жидкое и твердое состояния.

Хейке Камерлинг-Оннес (1853—1926) — нидерландский физик, родился в 1853 г. в Гронингене. Окончил Гронингенский университет, затем совершенствовался в Лейденском и Геттингенском университетах. В 1882—1923 гг. был профессором Лейденского университета. Камерлинг-Оннес — основатель и бессменный прижизненный директор криогенной лаборатории, носящей его имя.

Научные работы ученого относятся к физике низких температур и к сверхпроводимости. В 1908 г. первым сумел ожижить гелий. Исследуя свойства металлов при гелиевых температурах, в 1911 г. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости у ртути, а затем у олова, свинца, таллия и др. Он предложил использовать сверхпроводящую обмотку для получения сильных магнитных полей. Хейке Камерлинг-Оннес — лауреат Нобелевской премии по физике за 1913 г. Умер ученый в 1926 г.

Весомый вклад в дальнейшее развитие учения о теплоте внесли два крупнейших ученых — Джозайя Уиллард Гиббс и Людвиг Больцман (1844—1906). Еще в первых своих работах Гиббс применил в термодинамике графический метод. Он разработал так называемые энтропийные диаграммы, играющие значительную роль не только в самой термодинамике, но и в ее технических приложениях.

Джозайя Уиллард Гиббс (1839—1903) (рис. 14.1) родился в 1839 г. в США, в штате Коннектикут в семье профессора Йельского университета. В 1866 г. он уехал в Европу, где учился у Магнуса, Кирхгофа, Гельмгольца. В 1869 г. Гиббс вернулся в Нью-Хейвен, где получил звание профессора математики.

Основные научные работы Гиббса связаны с химической термодинамикой и статистической механикой, одним из основоположников которой он был. Он развил также систему статистической механики, которая на атомистической основе объясняла его термодинамические представления. С его именем связаны парадокс Гиббса, каноническое, микроканоническое и большое каноническое распределения Гиббса, адсорбционное уравнение Гиббса и др. Он является также одним из создателей векторного исчисления в его современной форме. Скончался Гиббс в 1903 г.

Портрет Джозайи Уилларда Гиббса

Рис. 14.1. Портрет Джозайи Уилларда Гиббса

В частности, выяснилось, что цикл Карно, описывающий систему «энтропия — температура», есть прямоугольник. В 1871—1873 гг. Гиббс предложил трехмерные термодинамические диаграммы и показал, что с их помощью можно легко представить все свойства вещества. При этом были введены понятия термодинамической поверхности и объема. Следуя Гиббсу, можно было построить термодинамическую поверхность; координаты каждой ее точки определяли состояние термодинамической системы, ее объем, энтропию и энергию. Этот метод привел в восхищение Максвелла, который собственноручно изготовил из гипса термодинамическую поверхность воды и прислал ее в подарок Гиббсу.

В 1875—1878 гг. Гиббс разработал и широко использовал метод термодинамических функций. Он ввел широко используемые в современной термодинамике понятия свободной энергии, энтальпии и термодинамического потенциала Гиббса. В своих исследованиях Гиббс сформулировал условия равновесия гомогенной и гетерогенной систем, ввел термин «фаза», подразумевая под этим тела, характеризующиеся определенным составом и состоянием. Без этих работ Гиббса нельзя представить современную термодинамику.

В конце жизни Гиббс был избалован научной славой. Если до начала 90-х гг. он был почти не известен в Европе, то на рубеже XX в. он избирается членом многих зарубежных академий, а в 1902 г. вышел его фундаментальный труд «Основы статистической механики». После Гиббса термодинамика перестала быть механистической. Она превратилась в весьма общую теоретическую систему, одинаково применимую в разных отраслях физики и химии.

Всеобщность принципов термодинамики принудила ученых искать этому объяснение. Одно из таких объяснений носит феноменологический характер, и в истории получило наименование энергетизм. Его приверженцами были Эрнст Мах (1838— 1916) и Вильгельм Фридрих Оствальд (1853—1932). Второе направление — атомистическое. Его поддерживали Р. Клаузиус, Дж. К. Максвелл, Л. Больцман и другие ученые.

Основная заслуга Больцмана — создание статистической механики и статистическое обоснование второго начала термодинамики. Научная карьера ученого началась очень рано. Уже в 24 года Больцман предложил функцию распределения, которая носит его имя. Интересующее нас здесь направление научной деятельности Больцмана — открытие связи между энтропией и вероятностью — интересовало его с юных лет. Работа началась в 1866 г. и закончилась в 1905 г. Но главная ее часть была выполнена в 1872 и 1876 гг.

Людвиг Больцман (1844—1906) — австрийский физик, родился

в 1844 г. в Вене. Он начал публиковать научные работы еще студентом, во время учебы в Вене, Гейдельберге и Берлине. Его талант теоретика был настолько явным, что 25-летний Больцман избирается профессором физики в Граце. В дальнейшем он занимал кафедры в университетах Вены, Граца и Мюнхена.

Научная деятельность Больцмана весьма многогранна. Особенно плодотворна она была в области кинетической теории газов, термодинамики и теплового излучения. Больцману принадлежит создание кинетической теории теплоемкости. Именно он доказал знаменитую теорему о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Работая над вопросами статистической физики, Больцман дал статистическое обоснование второму началу термодинамики, что сыграло большую роль в дальнейшем развитии физики.

Философские взгляды Больцмана характеризуются приверженностью атомистическим представлениям. Людвиг Больцман — не только исследователь термодинамики. Его работы посвящены также математике, механике, оптике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля и т.д. Наивысшим признанием заслуг Больцмана перед наукой является то, что его именем названа одна из фундаментальных физических постоянных. Людвиг Больцман ушел из жизни в 1906 г.

Закон возрастания энтропии получает у Больцмана простую интерпретацию: «Система стремится к наиболее вероятному состоянию». Таким образом, второе начало термодинамики перестает быть абсолютным законом природы и становится законом статистическим. Процессы могут идти в обе стороны, а значит, для Вселенной в целом тепловой смерти нет.

Взгляды Больцмана подвергались жесткой критике со стороны некоторых его современников. Вместе с тем ряд выдающихся ученых (Дж. К. Максвелл, X. А. Лоренц, М. Планк) не только поддерживали эти идеи, но и активно их развивали. Так, Планк дал простой, точный и изящный вывод соотношения между энтропией и вероятностью. В обозначениях Планка оно имеет вид:

где S — энтропия; к — постоянная, которую, вслед за Планком, принято называть «постоянной Больцмана»; W — вероятность различных микросостояний.

Работами Больцмана и Гиббса закончился наиболее активный период развития термодинамики и статистической физики.

В результате развития физики в начале XX в. сложилась такая важная отрасль теоретической физики, как статистическая физика, вооружившая науку новым мощным методом познания.

Рассмотрим, как развивалась термодинамика в XX в. Первый этап ее развития закончился с формулировкой тепловой теоремы Нернста. После этого начался новый этап развития термодинамики, связанный с освоением неравновесных процессов. На сегодняшний день закончена разработка основ линейной теории неравновесных процессов, завершившаяся созданием линейной неравновесной термодинамики. Одно из направлений завтрашнего дня — создание нелинейной феноменологической теории неравновесных процессов.

В равновесной термодинамике рассматриваются системы, находящиеся в состоянии равновесия, и изучаются очень медленные (квазистатические) процессы, протекающие через непрерывную последовательность равновесных состояний. В этих условиях переменные состояния, например давление и температура, при отсутствии внешних сил не зависят от пространственных координат. С типичным примером неравновесной системы мы встречаемся в потоках газа, где от точки к точке меняются его плотность, гидродинамическая скорость и температура. Существование градиентов этих параметров приводит к переносу массы, импульса и энергии. Возникающие процессы переноса пытаются выровнять неоднородности в распределении плотности, скорости и температуры, приближая систему к равновесию.

Процессы переноса характеризуются соответствующими потоками. Например, градиент температуры вызывает поток тепла, градиент плотности — поток массы и т.д. Появление в системе потоков, вообще говоря, нарушает статистическое равновесие. Например, перенос тепла можно представить как диффузию «горячих» молекул, а уход горячих молекул нарушает равновесное состояние в системе. Если процессы, возмущающие равновесие, менее интенсивны, чем процессы, которые его формируют, то можно с определенной степенью точности говорить о локальном равновесии, т.е. о равновесии в физически бесконечно малом объеме.

Идея о локальном термодинамическом равновесии была впервые высказана бельгийским ученым русского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным и оказалась очень плодотворной в термодинамике необратимых процессов. Это в первую очередь определяется тем, что для неравновесных состояний можно ввести функции состояния, например энтропию, которые будут зависеть от тех же переменных, от которых они зависят, когда система находится в состоянии равновесия. Это означает, что второе начало термодинамики в форме соотношения Гиббса справедливо и для неравновесных состояний, когда термодинамические функции являются функциями координат и времени.

Илья Романович Пригожин (1917—2003) — бельгийский физик и химик русского происхождения, родился в Москве в 1917 г. Начальное и среднее образование он получил в школах Берлина и Брюсселя, затем изучал химию в Свободном университете бельгийской столицы, в 1947 г. был удостоен докторской степени и получил должность профессора физической химии. В 1962 г. он стал директором Сольвеевского международного института физики и химии в Брюсселе. Еще через пять лет Пригожин был назначен директором Центра статистической механики и термодинамики, который сам основал при Техасском университете в Остине.

Научные работы ученого относятся к неравновесной термодинамике и физической химии. Пригожин внес основополагающий вклад в феноменологическую теорию необратимых процессов и термодинамику нелинейных необратимых процессов, ввел понятия производство энтропии и поток энтропии, дал так называемую локальную формулировку второго начала термодинамики и предложил принцип локального равновесия. Он показал, что в стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость производства энтропии в термодинамической системе минимальна (теорема Пригожина) и производство энтропии для необратимых процессов в открытой системе стремится к минимуму (критерий Пригожина). Пригожин также выполнил первые работы по статистической термодинамике необратимых процессов, выдвинул теорию диссипативных структур, создал математический аппарат для их описания. За работы по термодинамике необратимых процессов и их использование в химии и биологии он был удостоен Нобелевской премии по химии (1977). Умер ученый в 2003 г.

В 1931 г. американский физик и химик норвежского происхождения Ларе Онзагер (1903—1976) предположил, что при небольших отклонениях от равновесия существует линейная связь между потоками J[y где i = 1, 2,..., гг, и термодинамическими силами X., где; = 1, 2, п. При этом каждая термодинамическая сила может вызвать несколько различных потоков. Например, такая сила, как градиент температуры, может вызвать не только поток теплоты, но и поток вещества или электрический ток. В общем случае поток может зависеть от градиента нескольких величин. Эти процессы описываются системой уравнений. Сокращенная запись обобщенных термодинамических уравнений движения имеет вид:

где i = 1,2,..., п.

Постоянные коэффициенты L-. называются кинетическими коэффициентами.

Онзагер показал, что при соответствующем выборе потоков и сил недиагональные коэффициенты равны:

Эти равенства называют соотношениями взаимности Онза- гера.

Таким образом, два принципа — принцип линейности термодинамических потоков и соотношения взаимности Онзагера — легли в основу теории неравновесных процессов и стимулировали развитие линейной неравновесной термодинамики. Соотношения взаимности сыграли огромную роль в термодинамике необратимых процессов. Они связывают различные физические процессы, например явление термодиффузии и обратный процесс — диффузионный термоэффект. Тем самым по известным характеристикам конкретного процесса можно предсказать характеристики обратного процесса. За открытие соотношений взаимности, которое по праву может считаться поворотным пунктом в истории термодинамики, Онзагеру была присуждена Нобелевская премия по химии в 1968 г.

Изучение открытых систем — одно из перспективных направлений термодинамики завтрашнего дня. Достижением неравновесной термодинамики является установление того факта, что самоорганизация является общим свойством открытых систем. При этом именно неравновесность служит источником упорядоченности. Этот вывод послужил отправной точкой для идей, выдвинутых представителями Брюссельской школы во главе с Пригожиным. Остановимся вкратце на биографии этого выдающегося ученого XX в.

Основная трудность, которая возникает при анализе процессов самоорганизации, состоит в том, что здесь нельзя использовать представления линейной термодинамики необратимых процессов. Предположение о существовании линейных соотношений между потоками и термодинамическими силами оказывается несправедливым, поскольку формирование структур происходит вдали от равновесия. Поясним это на примерах.

Переход ламинарного течения в турбулентное.

При термодинамическом равновесии вода находится в покое (скорость движения равна нулю). Нарушим равновесие, создав, например, градиент давления. Вода начнет перемещаться в сторону меньших давлений, как в трубе при напоре. До некоторой критической скорости течение будет ламинарным: вода будет перемещаться как бы слоями, параллельными направлению течения. В этом случае потоки и термодинамические силы связаны линейными соотношениями. Если скорость движения воды превысит некоторое критическое значение, то картина движения жидкости удивительным образом изменится: поток станет турбулентным. В этом состоянии, соответствующем большим отклонениям от равновесия, необходимо учитывать нелинейность, вызванную резко возросшими диссипативными процессами.

Проблема перехода к турбулентности в гидродинамических течениях сегодня одна из самых трудных задач в классической физике.

Ячейки Бенара.

В качестве еще одного примера рассмотрим образование ячеек Бенара в жидкости. Если слой жидкости сильно нагреть, то возникает градиент температуры между нижней и верхней поверхностями. Из-за наличия силы тяжести и архимедовой силы такая система оказывается неустойчивой, поскольку легкий нижний слой и тяжелый верхний стремятся поменяться местами. Однако вследствие вязкости жидкости при небольших градиентах температуры движение не возникает и тепло передается только путем теплопроводности. Лишь при достижении критического значения температурного градиента появляется конвекционный поток, обладающий характерной структурой в виде шестиугольных ячеек. Внутри ячеек жидкость поднимается вверх, а по краям опускается вниз.

Химические часы.

Химические реакции дают много примеров образования пространственных, временных и пространственно-временных структур. Одной из первых исследованных и наиболее впечатляющих реакций этого типа является реакция БелоусоваЖаботинского. Советские ученые Борис Павлович Белоусов (1893—1970) и Анатолий Маркович Жаботинский (1938— 2008) обнаружили химическую реакцию, в ходе которой раствор периодически менял свою окраску с голубой на красную, причем изменение окраски можно было наблюдать невооруженным глазом. Этот процесс продолжается с идеально регулярными значениями периода и амплитуды. Именно поэтому эти колебания назвали «химическими часами». В настоящее время найдены многие реакции с таким свойством.

Пригожин, анализируя неравновесные процессы, пришел к выводу, что увеличение энтропии приводит не только к увеличению беспорядка. Флуктуации, образующиеся в мире хаоса, в определенных условиях, далеких от равновесных, могут привести к упорядоченной структуре. Эти моменты Пригожин назвал точками бифуркации. (Бифуркация — от лат. bifurcus — «раздвоение».) Точки бифуркации — критические пороговые точки, в которых поведение системы становится неустойчивым и может эволюционировать к нескольким состояниям. Именно в этих точках открывается возможность для возникновения уникальных событий — появления турбулентности, образования ячеек Бенара, возникновение новых механизмов, ответственных за работу химических часов, и др.

Для понимания неравновесных процессов Пригожин ввел очень важный термин — аттрактор. Аттрактор — конечное состояние диссипативной системы (системы, в которой рассеивается энергия). Идеальный маятник (без трения и сопротивления воздуха) не имеет аттрактора, так как колеблется бесконечно долго. Реальный маятник постепенно останавливается в положении равновесия. Это положение является аттрактором. Точно так же аттрактором является состояние равновесия термодинамической системы.

Химические часы являются примерами периодических аттракторов. В настоящее время открыты более сложные аттракторы, названные странными (хаотическими), они соответствуют множеству точек (см. раздел VI).

В заключение отметим, что среди всех научных дисциплин термодинамика отличается аксиоматической строгостью и общностью своих основополагающих начал. Одно из основных достоинств термодинамики заключается в универсальности ее выводов, которые не привязаны к каким-либо конкретным системам. Это обстоятельство позволяет применять термодинамику для анализа самых разных объектов живой и неживой природы, включая социальную сферу. В истории физики неоднократно встречались случаи, когда именно термодинамические представления определяли правильность сделанных открытий. Потенциал термодинамики огромен и отнюдь не исчерпан, особенно активно сегодня развивается теория неравновесных систем.

На этом завершается обзор основных направлений исследований и открытий периода развития классической физики. Хронология научных событий (трудов, открытий, изобретений, технических достижений) в истории физики этого периода приведена в Приложении 1.

Контрольные вопросы

  • 1. Какие открытия в химической атомистике были сделаны в начале XIX в.?
  • 2. Как формулируется: а) закон Гей-Люссака; б) закон Авогадро; в) основное уравнение молекулярно-кинетической теории?
  • 3. Какие расчеты провел Максвелл на основе открытого им распределения молекул по скоростям?
  • 4. Какой физический объект описывает уравнение Ван-дер-Ваальса?
  • 5. Какому ученому удалось впервые ожижить гелий?
  • 6. Какой вклад в учение о теплоте внес Гиббс?
  • 7. Почему без работ Гиббса нельзя представить современную термодинамику?
  • 8. В чем состоит статистическое обоснование второго начала термодинамики?
  • 9. Какие термодинамические процессы являются неравновесными?
  • 10. Кому принадлежит идея о локальном термодинамическом равновесии?
  • 11. Какой вклад в теорию необратимых процессов внес Онзагер?
  • 12. Как проявляется самоорганизация открытых систем? Приведите 2—3 примера.
  • 13. Что называют: а) точками бифуркации; б) аттрактором?

Задания для самостоятельной работы

  • 1. Исторические этапы развития химической атомистики.
  • 2. Первооткрыватели газовых законов.
  • 3. Газ и пар — это одно и то же?
  • 4. Научная биография Я. Д. Ван-дер-Ваальса.
  • 5. История ожижения газов.
  • 6. Как был ожижен гелий? Эксперименты X. Камерлинг-Оннеса.
  • 7. Дж. К. Максвелл и статистическая физика.
  • 8. Людвиг Больцман: научные и философские взгляды.
  • 9. Дж. Гиббс. Главные научные достижения.
  • 10. Неравновесная термодинамика. Основные достижения.
  • 11. И. Р. Пригожин и диссипативные структуры.
  • 12. Место термодинамики и статистической физики в естественнонаучной картине мира.

Рекомендуемая литература

  • 1. Гиббс, Дж. У. Термодинамика. Статистическая физика. — М. : Наука, 1982.
  • 2. Кипнис, А. Я. Иоганнес Дидерик Ван-дер-Ваальс / А. Я. Кипнис, Б. Е. Явелов. — М. : Наука, 1885.
  • 3. Спиридонов, О. П. Людвиг Больцман. — М.: Просвещение, 1987.
  • 4. Вдовиченко, Н. В. Развитие фундаментальных признаков статистической физики в первой половине XX века. — М.: Наука, 1986.
  • 5. Больцман, Л. Избранные труды. — М.: Наука, 1984.
  • 6. Кузнецова, О. В. История обоснования статистической механики. — М.: Наука, 1988.
  • 7. Осипов, А. И. Термодинамика вчера, сегодня, завтра. Ч. 1 : Равновесная термодинамика / СОЖ. —1999. — № 4. — С. 79—85.
  • 8. Осипов, А. И. Термодинамика вчера, сегодня, завтра. Ч. 2 : Неравновесная термодинамика / СОЖ. — 1999. — № 5. — С. 91—85.
  • 9. Пригожин, И. Современная термодинамика / И. Пригожин, Д. Кондепуди. — М.: Мир, 2002.
  • 10. Орлов, В. А. Равновесная и неравновесная термодинамика. Элективный курс : учеб, пособие / В. А. Орлов, Г. Г. Никифоров. — М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2005.
  • 11. Физика XIX—XX вв. в общенаучном и социокультурном контекстах. Физика XIX в. / отв. ред. В. П. Визгин, Л. С. Полак. — М. : Наука, 1995.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >