Постулат на планк: формулировка, характеристики, значение

Топлинните процеси в природата се изучават от науката термодинамика. Той описва всички енергийни трансформации, които се извършват чрез, като обем, налягане, температура, пренебрегване на молекулярната структура на веществата и предметите, както и на фактора време. Тази наука се основава на три основни закона. Последният от тях има няколко формулировки. Най-често използваният в съвременния свят е този, наречен "Постулат на Планк". Този закон е наречен на името на учения, който го е извел и формулирал. Това е Макс Планк, ярък представител на немския научен свят, теоретичният физик на миналия век.

Първи и втори принцип

Преди да формулираме постулата на Планк, нека първо се запознаем с два други закона на термодинамиката. Първата твърди, че енергията се запазва напълно във всички системи, изолирани от външния свят. Последицата от този закон е отричането на възможността за работа без външен източник и следователно създаването на вечна машина, която да работи по такъв начин (т.е. ВС от първи вид).

Вторият закон гласи, че всички системи се стремят към термодинамично равновесие, като нагретите тела предават топлина на по-хладните, но не и обратното. А след изравняването на температурите между тези обекти всички топлинни процеси спират.

Постулат на Планк

Всичко това се отнася за електрическите, магнитните и химическите явления, както и за процесите, протичащи в космическото пространство. В днешно време термодинамичните закони придобиват особено значение. Учените вече работят интензивно в едно важно направление. Използвайки тези знания, те се стремят да открият нови източници на енергия.

Третото твърдение се отнася до поведението на физическите тела при изключително ниски температури. Подобно на първите два закона, той дава знания за основата на структурата на Вселената.

Формулировката на постулата на Планк е следната:

Ентропията на правилно оформен кристал от чиста материя при температура абсолютна нула е нула.

Авторът я представя на света през 1911 г. По онова време това предизвика много спорове. Но последвалият напредък в науката, както и практическото приложение на термодинамиката и математическите изчисления, доказаха нейната истинност.

Абсолютна температурна нула

Сега нека обясним подробно значението на третия закон на термодинамиката, основан на постулата на Планк. И нека започнем с такова важно понятие като абсолютната нула. Това е най-ниската температура, която могат да имат само телата във физическия свят. Под тази граница, според природните закони, тя не може да падне.

Целзий е равно на -273,15 градуса. Но по скалата на Келвин това е началната точка. Доказано е, че в това състояние енергията на молекулите на всяко вещество е равна на нула. Движението им се прекратява напълно. В кристалната решетка атомите заемат абсолютно една и съща позиция във връзките ѝ, без да могат да се колебаят дори леко.

От само себе си се разбира, че всички топлинни явления в системата също се прекратяват при тези условия. Състоянието на правилен кристал при абсолютна температура нула е това, което се казва в постулата на Планк.

Мярка за безпорядък

Можем да определим вътрешната енергия, обема и налягането на различни вещества. Така че имаме всички шансове да опишем макросъстоянието на тази система. Но това не означава, че е възможно да се каже нещо определено за микросъстоянието на някое вещество. За тази цел е необходимо да се знае всичко за скоростта и положението в пространството на всяка частица от веществото. А броят им е впечатляващо голям. При обикновени условия молекулите са в постоянно движение, като непрекъснато се сблъскват и раздалечават, променяйки посоката си на всяка част от мига. А в поведението им преобладава хаосът.

За да се определи степента на безпорядък, физиката е въвела специална величина, наречена ентропия. Той характеризира мярката за непредсказуемост на системата.

Ентропията (S) е термодинамична функция на състоянието, която служи като мярка за безпорядъка (неорганизираността) на системата. възможността за ендотермични процеси се дължи на промяна в ентропията, тъй като в изолирани системи ентропията на спонтанно протичащ процес се увеличава ΔS > 0 (втори закон на термодинамиката).

Перфектно структурирано тяло

Степента на несигурност при газовете е особено висока. Както знаете, те нямат форма или обем. Те могат да се разширяват неограничено. Частиците в газа са най-подвижни, така че тяхната скорост и местоположение са най-непредсказуеми.

Твърдите тела са нещо съвсем друго. В структурата на кристала всяка частица заема определено място, като извършва само някои вибрации от определена точка. Тук, знаейки позицията на един атом, не е трудно да се определят параметрите на всички останали. При абсолютната нула картината става още по-очевидна. Това се казва в третия закон на термодинамиката и постулата на Планк.

Ако такова тяло бъде издигнато над земята, траекторията на движение на всяка от молекулите на системата ще съвпадне с всички останали, освен това ще бъде предварително определена и лесно определима. От друга страна, когато освободеното тяло падне надолу, стойностите веднага се променят. Частиците ще придобият кинетична енергия от удара в земята. Това ще доведе до топлинно движение. Затова и температурата ще се повиши и вече няма да е нула. А ентропията, като мярка за безпорядъка в хаотично функционираща система, веднага ще се появи.

Характеристики

Всяко неконтролирано взаимодействие води до увеличаване на ентропията. При обикновени условия тя може да остане постоянна или да се увеличи, но не и да намалее. В термодинамиката това се оказва следствие от нейния втори закон, вече споменат по-рано.

Стандартните моларни ентропии понякога се наричат абсолютни ентропии. Те не са промени в ентропията, които съпътстват образуването на дадено съединение от неговите свободни елементи. Трябва също да се отбележи, че стандартните моларни ентропии на свободните елементи (под формата на прости вещества) не са равни на нула.

С появата на постулата на Планк абсолютната ентропия има възможност да бъде определена. Последицата от тази позиция обаче е, че в природата не е възможно да се достигне нулевата температура на Келвин, а само да се доближим максимално до нея.

Михаил Ломоносов успява да предскаже теоретичното съществуване на температурния минимум. Самият той е постигнал чисто практически замразяване на живака до -65° по Целзий. Днес използваме лазерно охлаждане, за да сведем частиците на материята почти до абсолютната нула. По-точно казано, тя е намаляла до 10^-9 градуса по скалата на Келвин. Но въпреки че тази стойност е пренебрежимо малка, тя все пак не е 0.

Значението на

Споменатият вече постулат, формулиран в началото на миналия век от Планк, както и следващите трудове на автора в тази насока, дадоха голям тласък на развитието на теоретичната физика, което доведе до значителния ѝ напредък в много области. Появи се дори нова наука - квантовата механика.

Въз основа на теорията на Планк и постулатите на Бор, малко по-късно, по-точно през 1916 г., Алберт Айнщайн успява да опише микроскопичните процеси, свързани с движението на атомите във веществата. Всички разработки на тези учени са потвърдени по-късно чрез създаването на лазери, квантови генератори и усилватели, както и на други съвременни устройства.

Макс Планк

Ученият е роден през април 1858 г. Роден е в Кил, Германия, в семейство на военни, учени, адвокати и църковни водачи. Още в гимназията той проявява забележителни способности към математиката и другите науки. Освен с точни науки, той се занимава и с музика, където също проявява значителните си таланти.

Учи в университет и избира да изучава теоретична физика. След това работи в Мюнхен. Тук той започва да изучава термодинамиката и представя работата си на научния свят. През 1887 г. Планк продължава работата си в Берлин. Към този период принадлежи и неговото блестящо научно постижение - квантовата хипотеза, чието дълбоко значение може да бъде разбрано едва по-късно. Тази теория е широко призната и предизвиква научен интерес едва в началото на 20-ти век. Но именно благодарение на нея Планк е придобил широка известност и слава тяхното име.