В недавно опубликованной статье испанский физик Хосе Мартин-Ояла из Университета Севильи продемонстрировал вывод третьего закона термодинамики напрямую из второго, без дополнительных предположений и упрощений.
Третий закон утверждает, что при приближении температуры к абсолютному нулю (0 К) энтропия системы стремится к постоянной величине, чаще всего нулю. Формально это означает, что при охлаждении до очень низких температур все процессы останавливаются, и вещество теряет способность к хаосу. Закон известен с начала XX века, когда его предложил Вальтер Нернст, но до сегодняшнего дня он считался больше постулатом, чем теоремой — не существовало строгого вывода из более фундаментальных принципов.
Мартин-Ояла изменил это. Он предложил математическое обоснование, основанное исключительно на втором законе термодинамики, который исключает возможность создания вечного двигателя второго рода и формулируется через ограничения на эффективность тепловых машин (например, машин Карно).
Иллюстрация: Leonardo
В своей работе Мартин-Ояла показывает, что представление теплового процесса через идеальную карносовскую машину, функционирующую с одним резервуаром при 0 К и другим при конечной температуре, делает невозможным извлечение работы без нарушения второго закона. Иными словами, если бы при абсолютном нуле могла произойти смена энтропии — то есть система могла бы отдавать или забирать тепло — это создало бы энергию из «ничего», противореча второму закону. Следовательно, при 0 К тепловые процессы невозможны, а энтропия остаётся неизменной — это и есть формальная интерпретация третьего закона, которая подтверждает теорему Нернста.
Важно отметить, что доказательство не зависит от таких предположений, как недостижимость абсолютного нуля или специфические свойства веществ (например, изменения теплоёмкости при охлаждении). Это придаёт результату универсальный характер, делая его применимым ко всем термодинамическим системам, вне зависимости от их состава и природы.
Работа также переосмысляет историческую трактовку. В 1912 году даже Эйнштейн усомнился в доказательстве Нернста, указывая, что малейшее необратимое воздействие может вывести систему из равновесия. Мартин-Ояла демонстрирует, что это не ослабляет закон: математическое обоснование остаётся верным, так как основывается на принципе неравновесия Карно, встроенного во второй закон.
По мнению автора, этот вывод также решает одно из сложных вопросов классической физики — неоднозначность поведения энтропии при предельных температурах. Его вывод демонстрирует, что энтропия при абсолютном нуле не только неизменна, но и строго определённа, не зависящая от пути охлаждения или состояния вещества.
Хотя результат Мартин-Оялы относится к области фундаментальной теоретической физики, его значение выходит за пределы учебников. Современные технологии всё чаще используют системы, работающие при сверхнизких температурах, — от квантовых компьютеров и сверхпроводников до криогенных сенсоров в космических миссиях. Понимание поведения энтропии на пороге абсолютного нуля критически важно для точности моделей и стабильности таких устройств. Кроме того, завершённая структура термодинамики укрепляет математическую основу для вычислений в статистической физике, материаловедении и моделировании фазовых переходов в экстремальных условиях.
Источник: iXBT
