История и методология физики

Развитие термодинамики 
Законы термодинамики универсальны и применимы к макроскопическим 
системам любой природы - к классическим и квантовым системам, к веществу и полю, 
в частности, к электромагнитному полю - излучению. Именно развитие 
термодинамики излучения черного тела привело к открытию 
Планком
квантов 
излучения и затем к построению квантовой теории. Современная термодинамика, 
обладающая мощным феноменологическим методом исследований, содержит ряд 
разделов, которые даже не могли себе представить ее создатели. Прежде всего, была 
разработана релятивистская термодинамика, являющаяся основой релятивистской 
теории гравитации. Развита также термодинамика систем с отрицательной 
абсолютной температурой. Наиболее впечатляющие результаты были получены в 
новом разделе термодинамики, который выделился в самостоятельную область науки 
в 50-х гг. XX в. Этот раздел называется термодинамикой необратимых процессов
,
 
или неравновесной термодинамикой. Далее кратко рассмотрим некоторые 
положения этой теории. 

---

Начало термодинамики необратимых процессов связывают с работой 
французского математика и физика Жана Фурье «Аналитическая теория тепла» 
(1822). В этой работе Фурье показал, что вектор плотности потока тепла определяется 
градиентом температуры (в современных обозначениях): 
,
где k - 
коэффициент теплопроводности. Как уже отмечалось, Ом в 1827 г. вывел закон 
постоянного тока, используя эти идеи Фурье. В 1855 г. немецкий ученый Фик
рассмотрел явление диффузии и нашел, что диффузионный поток определяется 
градиентом концентрации. Градиенты температуры, концентрации и т.п. получили 
название термодинамических сил. Таким образом, стало ясно, что потоки 
пропорциональны термодинамическим силам. Идеи о пропорциональности потоков 
соответствующим градиентам обобщил в 1931 г. американский физико-химик Ларс 
Онсагер (1903-1976). Он исходил из опытных фактов, которые говорят о том, что 
наряду с «прямыми» процессами происходят «косые», или побочные процессы. 
Например, перенос заряда под действием электрического поля, происходящий при 
движении ионов в электролите или электронов в металле, одновременно связан с 
переносом их средней кинетической энергии (тепла) и массы (диффузия). И наоборот, 
перенос массы при наличии градиента плотности или перенос тепла при градиенте 
температуры в системе заряженных частиц сопровождается одновременно переносом 
заряда, т.е. электрическим током. На основании этого Онсагер предположил, что при 
небольших отклонениях от равновесия потоки 
/,
и термодинамические силы А
,
связаны линейными соотношениями: 
Эти соотношения по предложению американского физика Эккарта (1940) 
называются термодинамическими уравнениями движения. Величины L
ij
называются 
кинетическими коэффициентами. Они могут быть любыми функциями параметров 
состояния (температуры, давления, состава и т.п.), но не зависят от потоков и 
термодинамических сил. Эти коэффициенты в термодинамике считаются известными 
из опыта. Они м
о
гут быть явно рассчитаны только в рамках кинетической теории. 
Линейные соотношения между потоками и «силами» справедливы только при 
небольших градиентах макропараметров. Если же градиенты велики, то необходимо 
пользоваться нелинейной неравновесной термодинамикой. В этой теории 
учитываются члены с производными более высоких порядков, или считается, что 
кинетические коэффициенты зависят от термодинамических сил. Опираясь на принцип 
микроскопической обратимости и на гипотезу о макроскопическом характере