I processi termici in natura sono studiati dalla scienza della termodinamica. Descrive tutte le trasformazioni energetiche in corso utilizzando parametri come volume, pressione, temperatura, ignorando la struttura molecolare di sostanze e oggetti, nonché il fattore tempo. Questa scienza si basa su tre leggi fondamentali. L'ultimo ha diverse formulazioni. Il più comunemente usato nel mondo moderno è quello che ha ricevuto il nome di "Postulato di Planck". Questa legge prende il nome dallo scienziato che l'ha dedotta e formulata. Questo è Max Planck, un brillante rappresentante del mondo scientifico tedesco, un fisico teorico del secolo scorso.
Primo e secondo inizio
Prima di formulare il postulato di Planck, conosciamo brevemente due altre leggi della termodinamica. Il primo di essi afferma la completa conservazione dell'energia in tutti i sistemi isolati dal mondo esterno. La sua conseguenza è la negazione della possibilità di lavorare senza una fonte esterna, e quindi la creazione di una macchina a moto perpetuo,che funzionerebbe in modo simile (cioè un VD del primo tipo).
La seconda legge dice che tutti i sistemi tendono all'equilibrio termodinamico, mentre i corpi riscaldati trasferiscono calore a quelli più freddi, ma non viceversa. E dopo l'equalizzazione delle temperature tra questi oggetti, tutti i processi termici si arrestano.
Postulato di Planck
Tutto quanto sopra si applica a fenomeni elettrici, magnetici, chimici, nonché ai processi che si verificano nello spazio esterno. Oggi, le leggi termodinamiche sono di particolare importanza. Gli scienziati stanno già lavorando intensamente in una direzione importante. Usando questa conoscenza, cercano di trovare nuove fonti di energia.
La terza affermazione riguarda il comportamento dei corpi fisici a temperature estremamente basse. Come le prime due leggi, fornisce la conoscenza delle basi dell'universo.
La formulazione del postulato di Planck è la seguente:
L'entropia di un cristallo adeguatamente formato di una sostanza pura a temperature dello zero assoluto è zero.
Questa posizione fu presentata al mondo dall'autore nel 1911. E in quei giorni suscitò molte polemiche. Tuttavia, le successive conquiste della scienza, così come l'applicazione pratica delle disposizioni della termodinamica e dei calcoli matematici, hanno dimostrato la sua verità.
Temperatura assoluta zero
Ora spieghiamo più in dettaglio qual è il significato della terza legge della termodinamica, basata sul postulato di Planck. E cominciamo con un concetto così importante come lo zero assoluto. Questa è la temperatura più bassa che solo i corpi del mondo fisico possono avere. Al di sotto di questo limite, secondo le leggi della natura, non può scendere.
In gradi Celsius, questo valore è -273,15 gradi. Ma sulla scala Kelvin, questo segno è solo considerato il punto di partenza. È dimostrato che in tale stato l'energia delle molecole di qualsiasi sostanza è zero. Il loro movimento è completamente interrotto. In un reticolo cristallino, gli atomi occupano una posizione chiara e immutabile nei suoi nodi, senza poter fluttuare nemmeno leggermente.
Va da sé che tutti i fenomeni termici nel sistema si fermano anche in determinate condizioni. Il postulato di Planck riguarda lo stato di un cristallo regolare a temperatura assoluta zero.
Misura del disordine
Possiamo conoscere l'energia interna, il volume e la pressione di varie sostanze. Cioè, abbiamo tutte le possibilità di descrivere il macrostato di questo sistema. Ma questo non significa che sia possibile dire qualcosa di definito sul microstato di qualche sostanza. Per fare ciò, devi sapere tutto sulla velocità e sulla posizione nello spazio di ciascuna delle particelle di materia. E il loro numero è straordinariamente enorme. Allo stesso tempo, in condizioni normali, le molecole sono in costante movimento, si scontrano costantemente tra loro e si disperdono in direzioni diverse, cambiando direzione ogni frazione di momento. E il loro comportamento è dominato dal caos.
Per determinare il grado di disordine in fisica, è stata introdotta una quantità speciale chiamata entropia. Caratterizza il grado di imprevedibilità del sistema.
Entropia (S) è una funzione di stato termodinamico che funge da misuradisordine (disordine) del sistema. La possibilità di processi endotermici è dovuta ad una variazione dell'entropia, perché nei sistemi isolati l'entropia di un processo spontaneo aumenta ΔS >0 (la seconda legge della termodinamica).
Corpo perfettamente strutturato
Il grado di incertezza è particolarmente alto nei gas. Come sapete, non hanno forma e volume. Allo stesso tempo, possono espandersi all'infinito. Le particelle di gas sono le più mobili, quindi la loro velocità e posizione sono le più imprevedibili.
I corpi rigidi sono un' altra questione. Nella struttura cristallina, ciascuna delle particelle occupa un determinato posto, emettendo solo alcune vibrazioni da un certo punto. Qui non è difficile, conoscendo la posizione di un atomo, determinare i parametri di tutti gli altri. A zero assoluto, l'immagine diventa completamente ovvia. Questo è ciò che dice la terza legge della termodinamica e il postulato di Planck.
Se un tale corpo viene sollevato da terra, la traiettoria di movimento di ciascuna delle molecole del sistema coinciderà con tutte le altre, inoltre, sarà in anticipo e facilmente determinabile. Quando il corpo, rilasciato, cade, gli indicatori cambieranno immediatamente. Colpendo il suolo, le particelle acquisiranno energia cinetica. Darà slancio al movimento termico. Ciò significa che la temperatura aumenterà, che non sarà più zero. E immediatamente sorgerà l'entropia, come misura del disordine di un sistema caoticamente funzionante.
Caratteristiche
Qualsiasi interazione incontrollata provoca un aumento dell'entropia. In condizioni normali, può rimanere costante o aumentare, ma non diminuire. In termodinamica, ciò risulta essere una conseguenza della sua seconda legge, già menzionata in precedenza.
Le entropie molari standard sono talvolta chiamate entropie assolute. Non sono cambiamenti di entropia che accompagnano la formazione di un composto dai suoi elementi liberi. Va anche notato che le entropie molari standard degli elementi liberi (sotto forma di sostanze semplici) non sono uguali a zero.
Con l'avvento del postulato di Planck, l'entropia assoluta ha una possibilità di essere determinata. Tuttavia, una conseguenza di questa disposizione è anche che in natura non è possibile raggiungere la temperatura zero secondo Kelvin, ma solo avvicinarsi ad essa il più possibile.
In teoria, Mikhail Lomonosov è riuscito a prevedere l'esistenza di una temperatura minima. Lui stesso ha praticamente ottenuto il congelamento del mercurio fino a -65° Celsius. Oggi, per mezzo del raffreddamento laser, le particelle di sostanze vengono portate quasi allo stato di zero assoluto. Più precisamente, fino a 10-9 gradi della scala Kelvin. Tuttavia, sebbene questo valore sia trascurabile, non è ancora 0.
Significato
Il suddetto postulato, formulato all'inizio del secolo scorso da Planck, così come i successivi lavori in questa direzione dell'autore, diedero un grande impulso allo sviluppo della fisica teorica, determinandone un notevole incrementoprogresso in molti settori. E anche una nuova scienza è emersa: la meccanica quantistica.
Sulla base della teoria di Planck e dei postulati di Bohr, dopo qualche tempo, più precisamente nel 1916, Albert Einstein riuscì a descrivere i processi microscopici che avvengono quando gli atomi si muovono nelle sostanze. Tutti gli sviluppi di questi scienziati sono stati successivamente confermati dalla creazione di laser, generatori e amplificatori quantistici, nonché altri dispositivi moderni.
Max Planck
Questo scienziato è nato nel 1858 ad aprile. Planck è nato nella città tedesca di Kiel in una famiglia di famosi militari, scienziati, avvocati e capi di chiesa. Anche in palestra, mostrò notevoli capacità in matematica e in altre scienze. Oltre alle discipline esatte, ha studiato musica, dove ha anche mostrato il suo notevole talento.
Quando entrò all'università, scelse di studiare fisica teorica. Poi ha lavorato a Monaco. Qui iniziò a studiare termodinamica, presentando il suo lavoro al mondo scientifico. Nel 1887 Planck continuò le sue attività a Berlino. Questo periodo include un risultato scientifico così brillante come l'ipotesi quantistica, il cui profondo significato le persone sono state in grado di comprendere solo in seguito. Questa teoria è stata ampiamente riconosciuta e ha guadagnato interesse scientifico solo all'inizio del XX secolo. Ma è stato grazie a lei che Planck ha guadagnato un'ampia popolarità e ha glorificato il suo nome.
