Термодинамика и нано

Опубликовано 14.02.2012
Станислав Ордин   |   просмотров - 2500,   комментариев - 2
Термодинамика и нано

Людвиг Больцман, когда его спросили, почему он ставит студентам отметки не выше тройки, сказал: «Термодинамику на отлично знает только БОГ. Я знаю ее на четверку. Поэтому термодинамику, лучше чем на тройку, знать студент не может».

Больцман был гений и понимал, как много еще непознанного в том, что уже вошло в энциклопедии. А ведь то, над чем он размышлял, касалось лишь линейной неравновесной термодинамики, оперирующей очень большими числами. «Жрецы» же от науки, то есть люди на вершине иерархической лестницы в обюрократившейся науке, считающие себя ответственными за «научный подход», лишь для обывателя, включая научного ремесленника, обладают правом на НАУЧНУЮ ИСТИНУ. Они подобны ефрейтору, прочитавшему «Краткий курс истории ВКПб» и находящемуся в полной уверенности, что он знает, как управлять миром.

«Жрецы» четко знают, что есть закон сохранения энергии (в большинстве своем не подозревая, что это закон термостатики, а не термодинамики). Некоторые из них знают, что есть принцип симметрии Казимира-Онзагера (в большинстве своем не подозревая, что это и есть собственно закон термодинамики, но только линейной). Большинство же «жрецов» даже не подозревает о попытке Дьярмати сформулировать интегральный принцип для нелинейной термодинамики (собственно закон сохранения термодинамики, учитывающий нелинейные процессы). Озабоченные либо своим карьерным ростом, либо сохранением достигнутого статус-кво, «жрецы» давно уже не ученые, но представляют науку и определяют направления «научного» поиска. Тем самым развитие собственно науки идет не за счет достижений в «намеченных» направлениях (что является бессмыслицей по определению), а за счет «посмевших» вести самостоятельный научный поиск.

Посмевшего ввести понятие производства локальной энтропии Илью Пригожина обвинили в нарушении законов термодинамики. Никого не удивляет, что полет жука отличается от полета орла, что маленький самолет имеет отличные от аэробуса пропорции и что муравей может поднять вес в десятки раз больше собственного, а слон – лишь долю собственного веса. Это все не противоречит нашим ощущениям и научно описывается масштабными коэффициентами, но и то и другое, в рамках макроскопических представлений и соответственно, на базе макроскопических принципов. То, что на микроуровне существуют свои принципы, сформулированные корифеями начала прошлого века, уже общепризнано. На базе этих принципов была даже построена квантовая статистика Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна, но тоже для бесконечного числа частиц. Но то, что принципы термодинамики, построенной на предположении о бесконечно большом количестве частиц (что естественно для макроскопических объектов) недостаточны для описания термодинамических процессов на масштабе, где число частиц в принципе ограничено, не укладывалось в головах «жрецов». Проше было сказать, что на этом масштабе термодинамики нет.

Неполноту макроскопических принципов отмечали многие выдающиеся исследователи, показывая, что по статистике всего времени вселенной не достаточно для случайного возникновения одной органической молекулы, не то что жизни. Были предприняты попытки построения статистики с накоплением информации в неживой природе. Но заявление о масштабе принципов термодинамики было воспринято как научная крамола. Не случайно об этих своих попытках Илья Пригожин смог поведать лишь после смерти в книге «Современная термодинамика» (благодаря своему соавтору).

Эйнштейн, который всю жизнь размышлял над общей картиной мира, оставил золотую фразу для понимания непонятого еще и в квантовой механике: «Некоторые уравнения классической механики допускают перезапись в квантово-механическом виде». Но основное направление своего поиска общности законов природы он отразил в просьбе к профессору Термену озвучить элементарные геометрические фигуры. В своем обращении к гармонии он предвосхитил результат исследований одного толкового нобелевского лауреата (бывают и такие), который обнаружил, что отдельная живая клетка излучает гармонически меняющиеся гармонические звуки – музыку! (и на уровне отдельных нот и на уровне их сочетания). То, что технологи смогли эмпирически сделать и организовать нанотранзисторы так, что мы на компьютере можем считать, играть, смотреть и слушать никого не удивляет и не возмущает. Но то, что гармонию нано/микро-мира можно описать и сделать так, чтобы она отражалась в макроскопических свойствах объектов (в не усредненном виде), до сих пор считается научной крамомой.

Термоэлектрические эффекты, являясь сугубо перекрестными, дают простую возможность наблюдения взаимодействия макроскопических термодинамических потоков. Поэтому Онзагер и использовал их для нахождения своего закона сохранения макроскопической, линейной неравновесной термодинамики. Термодинамические потоки на микро/нано-масштабе не описываются линейными зависимостями от сил с постоянными коэффициентами трения (кинетическими коэффициентами). Но локальные термо-ЭДС также дают простую возможность наблюдения и изучения взаимодействия термодинамических потоков, которые, на данном масштабе нелинейно связаны с силами. Их исследование позволит понять термодинамические законы микро/нано-мира, на существование которых указал Илья Пригожин. Наблюдение макроскопических ЭДС, определяемых локальными термо-ЭДС является также нормально, как работа компьютера, а аномально – пытаться их описать на базе линейной термодинамики - и аномально - их отрицать на базе макроскопических представлений.

Использование локальных термоэдс поднимает вопрос о теоретическом пределе коэффициента преобразования тепловой энергии вообще (выпавшем из рассмотрения за многочисленными рассуждениями о невозможности постоения Перпетум Мобиле) и указывает на возможность увеличения эффективности термоэлектрического преобразования в 2-3 раза даже на достигнутом уровне нанотехнологии. Это позволит, в свою очередь, не только повысить характеристики традиционных термоэлектрических устройств, но и сделать новый, принципиальный шаг в 10 нм, а затем и в нанотехнологию одного нанометра.


Комментарии:

Цитировать Имя
Станислав Ордин, 25.02.2013 00:32:55
Спасибо, Валерий, за комментарий.
Не уверен, что после годового ожидания ты посмотришь мой ответ, но может кому то он будет полезен. Каюсь, пока что не посмотрел Вашу работу. Но позволю себе некоторые уточнения. Квантовые законы применимы не только к атомам. Просто применять их надо правильно для сложных объектов. Но суть Вашей идеи понятна: на каждом масштабе есть соответствующие данному масштабу инварианты. Они, конечно, связаны с другими масштабами, но проблема НАНО в том, что эта связь фактически была упущена. От атома полагали прямая дорога к макроскопике.
Редактировать Цитировать Имя
Валерий Киреев, 02.03.2012 11:11:55
Уважаемый Станислав, Вы совершенно правильно пишите о проблемах в науке. В настоящее время официальная наука пытается описать весь Мир исходя из квантовых законов. Но этого нельзя сделать, так как на каждом уровне организации Материи действуют свои законы. Квантовые законы, применимые к атомам, не могут описать структуру и связи даже больших молекул, не говоря уже об объектах наномира. Тоже самое законы, справедливые для непрерывных веществ с огромным числом атомов, не могут быть применены к нанообъектам с ограниченным числом частиц, в частности это касается законов термодинамики. Подробно по этим вопросам можете посмотреть нашу работу: Киреев В.Ю., Врублевский Э.М., Недзвецкий В.С. и Сосновцев В.В. Философские, физические и химические аспекты объектов и методов нанотехнологий. – Информация и инновации. 2010, специальный выпуск, с. 1 – 90.
С пожеланием здоровья и успехов, Киреев Валерий.