Доказательство теоремы Нернста
Теорема Нернста — общее экспериментальное наблюдение, представленное в 1905 году, согласно которому при стремлении к нулю температуры обмен энтропией тоже стремится к нулю — была напрямую связана со вторым принципом термодинамики, устанавливающим возрастающую энтропию Вселенной. Автором доказательства является профессор Севильского университета Хосе Мартин-Олалла. Работа опубликована в The European Physical Journal Plus. В исследовании опровергнуто рассуждение Эйнштейна об отделении теоремы от второго принципа термодинамики.
Рис. Любой обратимый двигатель Карно, работающий при T=0, должен состоять из кругового путешествия из заданного состояния равновесия E₁ в E₀ при T=0. После исчезновения с x энтропия при T=0 помещается в конечное значение S. Кредит: The European Physical Journal Plus (2025). DOI: 10.1140/epjp/s13360-025-06503-w
Проблема теоремы Нернста возникла в начале XX века при изучении общих свойств вещества при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°C). За эти исследования Вальтер Нернст был удостоен Нобелевской премии по химии в 1920 году.
Нернст утверждал, что абсолютный ноль должен быть недостижим, поскольку в противном случае можно было бы построить двигатель, который, используя абсолютный ноль в качестве охладителя, преобразовывал бы все тепло в работу, что противоречит принципу возрастания энтропии. Таким образом, он доказал свою теорему в 1912 году.
Эйнштейн опроверг эту демонстрацию, указав, что такой гипотетический двигатель не может быть построен на практике и, следовательно, не может подвергать сомнению справедливость принципа возрастания энтропии. Таким образом, Эйнштейн отделил теорему от второго принципа термодинамики и связал ее с третьим принципом, независимым от второго.
Эта идея теперь опровергнута!
В представленной демонстрации профессор Мартин-Олалла вводит два нюанса, которые были опущены Нернстом и Эйнштейном: формализм второго принципа термодинамики, с одной стороны, требует существования машины, воображаемой Нернстом, а с другой стороны, чтобы эта машина была виртуальной; машина не потребляет тепла, не производит работы и не ставит под сомнение второй принцип. Объединение обеих идей позволяет нам заключить, что обмен энтропией стремится к нулю, когда температура стремится к нулю (что является теоремой Нернста), и что абсолютный ноль недостижим.
фундаментальной проблемой термодинамики является различение ощущения температуры, ощущения тепла и холода, от абстрактного понятия температуры как физической величины. В дискуссии между Нернстом и Эйнштейном температура была всего лишь эмпирическим параметром: условие абсолютного нуля представлялось условием, при котором давление или объем газа становились близкими к нулю.
Формально второй принцип термодинамики дает более конкретное представление о естественном нуле температуры. Идея связана не с каким-либо ощущением, а с той машиной, которую вообразил Нернст, но которая должна быть виртуальной. Это радикально меняет подход к доказательству теоремы.
