Există termodinamică pentru toate materialele? • Igor Ivanov • Știință științifică despre "Elemente" • Fizică

Există termodinamică pentru toate materialele?

Topirea gheții într-un pahar de apă poate fi descrisă în limba termodinamică, însă descrierea termodinamică nu există deloc pentru toate sistemele. Imagine de la middlezonemusings.com

Calculele teoretice arată că pentru unele sisteme unidimensionale sau bidimensionale este imposibil să se construiască termodinamică de echilibru. Acest rezultat este direct legat de computerele cuantice, cosmologia, experimentele cu condensatele atomice Bose.

Întrebarea prezentată în titlu poate părea ciudată. În ce sens nu există termodinamică dacă este studiat în școală? Amintiți-vă experiențele școlare: modul în care se extinde gazul atunci când este încălzit, cât de multă căldură este necesară pentru a topi o bucată de gheață etc. Se pare că este de la sine înțeles că, oricare ar fi problema noastră, este posibil să rezolvăm probleme similare pentru ea, există termodinamică.

De fapt, această afirmație este departe de a fi evidentă. Înțelegând subtilitățile justificării sale, autorii unui articol publicat recent în jurnal Fizica naturii, au găsit exemple de sisteme pentru care termodinamica (sau mai curând, termodinamica de echilibru) este ușor de construit este imposibil.

Înainte de a descrie rezultatele acestei lucrări, este necesar să explicăm o caracteristică importantă a termodinamicii, care o deosebește de alte ramuri ale fizicii. Legile mecanicii sau electrodinamicii puteți scrie pentru un set de două, zece sau orice alt număr de particule. Dar legile termodinamice apar numai pentru foarte mare numărul de particule. Și cel mai important lucru este că astfel de valori precum densitatea energiei interne sau densitatea entropiei, în această limită (adică cu o creștere nelimitată a volumului și creșterea proporțională a numărului de particule) ar înceta să depindă de numărul de particule, devin densități "reale".

În plus, legile termodinamice care sunt studiate în școală și în primii ani ai instituțiilor de învățământ superior se referă la termodinamica de echilibru. Însăși existența termodinamicii de echilibru se bazează pe următoarea ipoteză: dacă o substanță este transferată foarte încet de la o stare la alta (în limita infinit lentă), atunci în fiecare moment va fi foarte aproape de starea echilibrului termodinamic. Acest proces este numit cvasi-statice, iar toate formulele termodinamice "școlare" se bazează pe posibilitatea unor astfel de procese.

Acum ne întoarcem la un articol recent din Fizica naturii. În ea, autorii consideră o anumită clasă de sisteme – sisteme unidimensionale și bidimensionale în care oscilațiile sunt încet arbitrar (în limbajul fizicii, acestea sunt sisteme în care nu există nici un spațiu energetic în spectrul de perturbare). Sistemele unidimensionale pot fi considerate ca un lanț de particule și un sistem bidimensional ca un fel de "matrice" de particule care interacționează cu vecinii conform unei anumite legi. Cuvântul "sistem" înseamnă pur și simplu un set de un număr mare de particule de același tip, care pot fi considerate "ca întreg" ca un fel de mediu omogen. Apropo, aceste "particule" nu trebuie să fie molecule; acestea pot fi, de exemplu, spinuri de electroni sau qubits într-un calculator cuantic.

Mai întâi de toate, autorii au studiat modul în care se află sistemul mic numărul de particule. Sa dovedit că dacă schimbările sunt suficient de netede, atunci sistemul va fi într-o stare foarte apropiată de echilibrul termodinamic în fiecare moment al timpului – așa cum ar trebui să fie pentru un proces quasistatic.

Autorii au aflat apoi ce se întâmplă cu acest sistem în limita unui număr mare de particule.Și aici a devenit evidentă distincția dintre sistemele "obișnuite", tridimensionale și cu dimensiuni reduse. Dacă în cazul tridimensional procesul cvasistatic este întotdeauna posibil într-un sistem infinit de mare, atunci pentru sistemele cu dimensiuni reduse acest lucru nu se întâmplă. Un lucru uimitor are loc în ele – chiar și o schimbare arbitrară lentă, netedă a condițiilor externe. ireversibil de puternică violează un sistem infinit de mare. Dă naștere la un număr mare de oscilații lente care "rulează" prin sistem și nu-l permit să ajungă la o stare de echilibru termodinamic. Se poate spune că în această limită sistemul devine infinit de fragile din punct de vedere termodinamic – nu este capabil să "reziste" efectelor slabe arbitrar.

Un astfel de comportament anormal al sistemului înseamnă că procesele quasistatice sunt imposibile în el. Aceasta înseamnă că este imposibil să construim o termodinamică de echilibru pentru aceasta – deoarece sistemul nu are timp să ajungă la echilibru chiar și cu o schimbare arbitrară de condiții!

Autorii indică faptul că rezultatele lor teoretice sunt direct legate de multe situații fizice reale – de la computerele cuantice (există o întreagă secțiune a acestei științe,studiind computația cuantică adiabatică) și înainte de cosmologia inflaționistă (pentru așa-numitul "model de rulare lentă", adiabaticitatea procesului este, de asemenea, importantă).

Din punctul de vedere al experimentului, cel mai convenabil sistem de verificare a rezultatelor va fi probabil un nor de atomi supercold în starea de condens Bose. Pentru a face acest lucru, va fi necesar să se pună un nor de atomi într-o capcană magnetică, să se răcească la o stare de condens Bose și apoi să se schimbe lent proprietățile capcanei, de exemplu, făcându-l mai larg sau mai îngust. După aceea, va fi necesar să se măsoare cantitatea de energie transferată la condensul Bose din astfel de manipulări și să se găsească modul în care această energie depinde de numărul de particule și de rata de schimbare. Tehnica modernă de experimentare cu condensări Bose face ușor să se creeze capcane puternic alungite în una sau două direcții; un nor de atomi din ele se va comporta ca un sistem unidimensional sau bidimensional. Pentru unele dintre aceste experimente, predicțiile teoretice specifice au fost deja obținute în arXiv preprint recent: 0804.4003.

Sursa: A. Polkovnikov, V. Gritsev. Defalcarea limitei adiabatice în sistemele cu dimensiuni reduse fără goluri // Fizica naturii, publicat online 11 mai 2008 (doi: 10.1038 / nphys963). Textul integral al articolului este disponibil în arhiva tipăriturilor electronice: arXiv: 0706.0212 (articolul în sine) și arXiv: 0803.3967 (informații suplimentare).

Vezi și:
1) Pagina lui Anatoly Polkovnikov, unul dintre autorii articolului.
2) Noua limită adiabatică este o descriere puțin mai tehnică a acestei lucrări.
3) Revoluția în termodinamică este un exemplu al modului în care fizicienii lucrează cu sisteme în care limita termodinamică este încălcată.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: