Теоретически законы физики абсолютны. Однако когда дело доходит до законов термодинамики — науки, изучающей, как тепло и температура связаны с энергией, — бывают моменты, когда они перестают применяться.
В статье, недавно опубликованной в European Physical Journal B, Роберт Адамец из Аугсбургского университета, Германия, и его коллеги продемонстрировали, что теоретическая модель влияния окружающей среды на частицу не нарушает третий закон термодинамики, несмотря на кажущееся обратное. . Эти результаты актуальны для систем в микро- или нанометровом масштабе, которые трудно отделить от тепла или квантовых эффектов, оказываемых окружающей их средой.Авторы сосредоточились на модельной системе, одобренной экспертами по термодинамике, которая состоит из свободной частицы, прочно связанной с термостатом, что отражает влияние окружающей среды. Исследования таких систем обычно сосредоточены на том, сколько энергии необходимо для повышения их температуры на определенную величину или так называемую удельную теплоемкость. Предыдущие теоретические прогнозы предполагали, что при определенных обстоятельствах удельная теплоемкость может упасть ниже нуля при температуре строго нуля (-273,15 ° C).
Это предсказание, по-видимому, нарушает третий закон термодинамики, согласно которому удельная теплоемкость должна упасть до нулевого значения при строго нулевой температуре.Авторы показали, что третий закон термодинамики фактически не нарушается.
Фактически, настоящая частица всегда будет ограничена конечным объемом — даже если этот объем может быть чрезвычайно большим. Таким образом, они обнаружили, что предыдущие исследования необходимо изменить, чтобы учесть пространственное ограничение частицы.
Новая модель демонстрирует, как отрицательная теплоемкость действительно свободной частицы связана с падением теплоемкости, которое должно наблюдаться при наличии ограничения.