Термодинамическая поверхность Максвелла - Maxwell's thermodynamic surface

Фотографии гипсовой модели Максвелла с разных ракурсов.

Термодинамическая поверхность Максвелла представляет собой скульптуру 1874 года, созданную шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). Эта модель представляет собой трехмерное пространство различных состояний вымышленного вещества с похожими на воду свойствами. Этот график имеет объем координат (x), энтропию (y) и энергию (z). Она была основана на работах американского ученого Джозайя Уилларда Гиббса по графической термодинамике 1873 года. Модель, по словам Максвелла, позволяла «представить основные характеристики известных веществ в удобном масштабе».

Построение модели

В статьях Гиббса было определено то, что Гиббс назвал «термодинамической поверхностью», которая выражала взаимосвязь между объемом, энтропией и энергией вещества при различных температурах и давлениях. Однако Гиббс не включил никаких диаграмм этой поверхности. Получив оттиски статей Гиббса, Максвелл осознал проницательность, которую дает новая точка зрения Гиббса, и приступил к построению физических трехмерных моделей поверхности. Это отразило талант Максвелла как сильного визуального мыслителя и послужило прообразом современных научных методов визуализации .

Максвелл вылепил оригинальную модель из глины и сделал несколько гипсовых слепков модели, отправив одну Гиббсу в подарок, а две оставил в своей лаборатории в Кембриджском университете . Копия Максвелла выставлена ​​в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, а копия Гиббса выставлена ​​в Физической лаборатории Слоана Йельского университета , где Гиббс был профессором. Две копии хранятся в Национальном музее Шотландии , одна - через Питера Тейта, а другая - через Джорджа Кристал . Другой был отправлен Томасу Эндрюсу . Несколько исторических фотографий этих гипсовых слепков были сделаны в середине двадцатого века, в том числе фотография Джеймса Пикандса II, опубликованная в 1942 году, и эти фотографии открыли для более широкого круга людей подход Максвелла к визуализации.

Использование модели

Схема термодинамической поверхности из книги Максвелла « Теория тепла» . Диаграмма нарисована примерно под тем же углом, что и верхняя левая фотография выше, и показывает трехмерные оси e (энергия, возрастающая вниз), ϕ (энтропия, возрастающая вправо и вне плоскости) и v (объем , увеличиваясь к верхнему правому и в плоскости).

Как объяснил Гиббс и оценил Максвелл, преимущество поверхности UVS (энергия-объем-энтропия) над обычной поверхностью PVT ( давление-объем-температура ) состояло в том, что она позволяла геометрически объяснять резкие прерывистые фазовые переходы, возникающие из чисто непрерывная и гладкая функция состояния ; Поверхность Максвелла продемонстрировала типичное поведение вещества, которое может существовать в твердой, жидкой и газообразной фазах. Основная геометрическая операция заключалась в том, чтобы просто положить касательную плоскость (например, плоский лист стекла) на поверхность и повернуть ее, наблюдая за тем, где она касается поверхности. Используя эту операцию, можно было объяснить сосуществование фаз, тройную точку , определить границу между абсолютно стабильной и метастабильной фазами (например, перегрев и переохлаждение ), спинодальную границу между метастабильной и нестабильной фазами и проиллюстрировать критическую точку .

Максвелл нарисовал линии равного давления (изопиестика) и равной температуры (изотермы) на своей гипсовой повязке, поместив ее на солнечный свет и «проследив кривую, когда лучи просто касались поверхности». Эскизы этих линий он разослал ряду коллег. Например, его письмо Томасу Эндрюсу от 15 июля 1875 г. включало зарисовки этих строк. Максвелл представил более подробное объяснение и более четкий рисунок линий (на фото) в исправленной версии своей книги « Теория тепла» , и версия этого рисунка появилась на почтовой марке США 2005 года в честь Гиббса.

Модель Максвелла представлена ​​не только в двух странах, но и в литературе по термодинамике, и книги по этой теме часто упоминают ее, хотя и не всегда с полной исторической точностью. Например, термодинамическая поверхность, представленная скульптурой, часто считается поверхностью воды, что противоречит собственному утверждению Максвелла.

Связанные модели

Модель Максвелла не была первой гипсовой моделью термодинамической поверхности: в 1871 году, еще до публикаций Гиббса, Джеймс Томсон построил диаграмму давление гипса - объем - температура на основе данных для углекислого газа, собранных Томасом Эндрюсом .

Примерно в 1900 году голландский ученый Хайке Камерлинг-Оннес вместе со своим учеником Йоханнесом Петрусом Куэненом и его помощником Заальбергом ван Зельстом продолжили работу Максвелла, построив свои собственные термодинамические модели поверхности гипса. Эти модели были основаны на точных экспериментальных данных, полученных в их лаборатории, и сопровождались специализированными инструментами для рисования линий равного давления.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки