Испанский учёный дал первое строгое доказательство одного из самых загадочных законов термодинамики — спустя более века после его формулировки

В новой статье испанский физик Хосе Мартин-Ояла из Университета Севильи показал, как так называемый третий закон термодинамики можно вывести напрямую из второго — без дополнительных допущений и приближений.

Третий закон утверждает, что по мере приближения температуры к абсолютному нулю (0 К) энтропия системы стремится к постоянному значению, часто нулю. В более физическом смысле это означает, что при охлаждении до экстремально низких температур все процессы «замирают», и вещество теряет способность к беспорядку. Закон известен ещё с начала XX века, когда его сформулировал Вальтер Нернст, но до сих пор его статус оставался скорее постулатом, чем теоремой — строгого вывода из более фундаментальных принципов не существовало.

Хосе Мартин-Ояла сумел это изменить. Он предложил математическое доказательство, основанное только на втором законе термодинамики, который определяет невозможность создания вечного двигателя второго рода и формулируется через ограничение на эффективность тепловых машин (например, машин Карно).

В своей работе Мартин-Ояла показывает, что если представить тепловой процесс с помощью идеальной Карно-термодинамической машины, работающей на одном холодном резервуаре при 0 К и другом при конечной температуре, то любые попытки извлечения работы нарушат второй закон. Иными словами, если бы при абсолютном нуле можно было получить изменение энтропии — то есть система могла бы отдавать или принимать тепло — это означало бы возможность извлечения энергии из «ничего», что противоречит второму закону. Таким образом, при 0 К любые тепловые процессы невозможны, а энтропия не может меняться — это и есть формальное содержание третьего закона, что является формальной формулировкой теоремы Нернста.

Важно, что доказательство не опирается на предположения вроде недостижимости абсолютного нуля или особенностей конкретных веществ (например, о том, как ведёт себя теплоёмкость при охлаждении). Это делает результат универсальным — он применим ко всем термодинамическим системам, независимо от их состава и природы.

Работа также исправляет историческую трактовку. В 1912 году сам Эйнштейн подверг сомнению доказательство Нернста, отмечая, что малейшее необратимое влияние сбивает систему с холодильной линии. Мартин-Ояла показывает, что это не ослабляет закон: математическое доказательство остаётся состоятельным, поскольку основывается на соображении неравенства Карно, заложенном в структуру второго закона

По мнению автора, этот результат также помогает устранить одну из тонких проблем классической физики — потенциальную неоднозначность поведения энтропии при предельных температурах. Сформулированный им вывод показывает, что энтропия при абсолютном нуле не только постоянна, но и строго однозначна, то есть не зависит от пути охлаждения или состояния вещества.

Хотя результат Мартин-Оялы лежит в области фундаментальной теоретической физики, его значение может выйти далеко за рамки учебников. Современные технологии всё чаще опираются на системы, работающие при сверхнизких температурах — от квантовых компьютеров и сверхпроводников до криогенных сенсоров в космических миссиях. Понимание поведения энтропии вблизи абсолютного нуля имеет решающее значение для точности моделей и стабильности таких устройств. Кроме того, формально завершённая структура термодинамики делает более надёжной математическую основу для вычислений в статистической физике, материаловедении и моделировании фазовых переходов в экстремальных условиях.

 Источник: The European Physical Journal Plus