Термодинамическая поверхность Максвелла представляет собой скульптуру 1874 года [1], созданную шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). Эта модель представляет собой трехмерное пространство различных состояний вымышленного вещества с похожими на воду свойствами. [2] 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. [3] [4] Модель, по словам Максвелла, позволяла «представить основные характеристики известных веществ в удобном масштабе». [5]
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. [3] [6] Получив оттиски статей Гиббса, Максвелл осознал проницательность, которую дает новая точка зрения Гиббса, и приступил к построению физических трехмерных моделей поверхности. [7] Это отразило талант Максвелла как сильного визуального мыслителя [8] и послужило прототипом современных научных методов визуализации . [3]
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 . [3] копия Максвелла на дисплее в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, [3] [9] , а копия Гиббса на дисплее в лаборатории физики Sloane из Йельского университета , [10] , где Гиббс провел профессуру. Две копии хранятся в Национальном музее Шотландии , одна - через Питера Тейта, а другая - через Джорджа Кристал . [11] [12] [13] Другой был отправлен Томасу Эндрюсу . [13] В середине двадцатого века с этих гипсовых слепков был сделан ряд исторических фотографий, в том числе фотография Джеймса Пикандса II, опубликованная в 1942 году [14], и эти фотографии представили более широкому кругу людей подход Максвелла к визуализации.
Использование модели
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/5/5b/James_Clerk_Maxwell_-_Thermodynamic_surface_figure_from_book.jpg/440px-James_Clerk_Maxwell_-_Thermodynamic_surface_figure_from_book.jpg)
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 . [15]
Максвелл нарисовал линии равного давления (изопиестики) и равной температуры (изотермы) на своей гипсовой повязке, поместив ее на солнечный свет и «проследив кривую, когда лучи просто касались поверхности». [2] Он разослал эскизы этих линий ряду коллег. [16] Например, его письмо Томасу Эндрюсу от 15 июля 1875 г. включало зарисовки этих строк. [2] Максвелл более подробное объяснение и более четкая прорисовка линий ( на фото) в новой редакции его книга Теории теплоты , [15] и версию этого рисунка появился на 2005 почтовой марке в честь Гиббса . [6]
Модель Максвелла представлена не только в двух странах, но и в литературе по термодинамике, и книги по этому вопросу часто упоминают ее [17], хотя и не всегда с полной исторической точностью. Например, термодинамическая поверхность, представленная скульптурой, часто считается поверхностью воды [17], что противоречит собственному утверждению Максвелла. [2]
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 . [18]
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. [19] Эти модели были основаны на точных экспериментальных данных, полученных в их лаборатории, и сопровождались специализированными инструментами для рисования линий равного давления. [19]
Смотрите также
- История термодинамики
Рекомендации
- ^ Максвелл, Джеймс Клерк (1990). Научные письма и статьи Джеймса Клерка Максвелла: 1874–1879 . п. 148. ISBN 9780521256278.
Я только что закончил глиняную модель причудливой поверхности, показывающую твердое, жидкое и газообразное состояния, а также непрерывность жидкого и газообразного состояний »(письмо Томасу Эндрюсу , ноябрь 1874 г.)
- ^ а б в г Максвелл, Джеймс Клерк (1995-01-01). Максвелл о тепле и статистической механике: о «избегании всех личных запросов» о молекулах . п. 248. ISBN 9780934223348.
Думаю, вы знакомы с графическими методами термодинамики профессора Дж. Уилларда Гиббса (Йельский колледж, Коннектикут). Прошлой зимой я сделал несколько попыток смоделировать поверхность, которую он предлагает, с тремя координатами: объемом, энтропией и энергией. Числовые данные об энтропии могут быть получены только путем интегрирования данных, которые для большинства тел очень недостаточны, и, кроме того, потребовалась бы очень громоздкая модель, чтобы хорошо представлены все характеристики, скажем, CO 2 , поэтому я не пытался точность, но смоделирована фиктивная субстанция, у которой объем больше в твердом состоянии, чем в жидком; и в котором, как и в воде, насыщенный пар становится перегретым за счет сжатия. Когда мне наконец сделали гипсовую повязку, я нарисовал на ней линии равного давления и температуры, чтобы получить приблизительное движение их форм. Я сделал это, поместив модель на солнечный свет и проследив кривую, когда лучи касались поверхности ... Я посылаю вам набросок этих линий ... "(письмо Томасу Эндрюсу , 15 июля 1875 г.)
- ^ а б в г д Томас Дж. Вест (февраль 1999 г.). «Джеймс Клерк Максвелл, работая в мокрой глине» . Информационный бюллетень по компьютерной графике SIGGRAPH . 33 (1): 15–17. DOI : 10.1145 / 563666.563671 . S2CID 13968486 .
- ^ Кроппер, Уильям Х (2004). Великие физики: жизнь и времена ведущих физиков от Галилея до Хокинга . п. 118. ISBN 9780195173246.
- ^ Максвелл и Харман, стр. 230-231 : «Я прилагаю грубый набросок линий на поверхности Гиббса, координирует энергию объемной энтропии в воображаемом веществе, в котором основные характеристики известных веществ могут быть представлены в удобном масштабе. . " (письмо Джеймсу Томсону , 8 июля 1875 г.)
- ^ a b Инженер-химик штата Айова продвигает выпуск новой марки в честь отца термодинамики: Университет штата Айова - инженерный колледж, 2004 г. Архивировано 30 октября 2012 г. в Wayback Machine .
- ^ Максвелл, Гарбер, Браш и Эверитт, стр. 49 .
- ^ Кен Бродли, «Научная визуализация - прошлое, настоящее и будущее», Труды Третьего семинара по анализу данных рассеяния нейтронов, ядерным приборам и методам в физических исследованиях, Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование , том 354, выпуск 1, 15 января 1995, страницы 104-111, DOI : 10.1016 / 0168-9002 (94) 01031-5 .
- ^ Музей в Кавендишской лаборатории : Аппарат Максвелла .
- ^ Кеннет Р. Джоллс (1990). «Гиббс и искусство термодинамики». В DG Caldi; Джордж Д. Мостоу (ред.). Труды симпозиума Гиббса, Йельский университет, 15-17 мая 1989 года . Американское математическое общество. п. 321. ISBN. 978-0-8218-0157-4.
- ^ https://www.nms.ac.uk/explore-our-collections/collection-search-results/thermodynamic-model/417665
- ^ https://www.nms.ac.uk/explore-our-collections/collection-search-results/thermodynamic-model/425122
- ^ a b https://www.nms.ac.uk/explore-our-collections/stories/science-and-technology/james-clerk-maxwell-inventions/james-clerk-maxwell/thermodynamic-surface
- ^ Мюриэль Rukeyser (1942), Уиллард Гиббс американский Genius (перепечатано Ox Bow Press, ISBN 0-918024-57-9 ), стр. 203.
- ^ a b Джеймс Клерк Максвелл , Теория тепла , пересмотренный в 1891 году Джоном Страттом, 3-м бароном Рэли : рисунок линий показан на рисунке 26d на странице 207.
- ↑ Максвелл, Гарбер, Браш и Эверитт, стр .
- ^ a b См., например, Don S. Lemons, Mere Thermodynamics , Johns Hopkins University Press, 2008 г., ISBN 0-8018-9015-2 , стр. 146.
- ^ Johanna левелевскую Sengers , как флюиды Unmix: открытиях школы Ван - дер - Ваальса и Камерлинг - Оннес Архивированные 2007-05-30 в Wayback Machine , Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 2002, стр 56 и 104..
- ^ Б Смотрите страницу 3D-модель / Смесь / Experiments: Камерлинг - Оннес в архиве 2004-12-10 в Wayback Machine из Королевской Нидерландской академии искусств и наук . Некоторые из этих моделей выставлены в Музее Бурхааве : Комната 21. Архивировано 7 июня 2011 г., находится на Wayback Machine .
Внешние ссылки
- Фотография одной из двух кембриджских копий в музее Кавендишской лаборатории ; чтобы лучше читались легенды о топорах, см. здесь
- Термодинамический пример: термодинамический графический метод Гиббса в Лаборатории научного визуального анализа Технологического института Вирджинии
- Термодинамическая поверхность Максвелла в "Энциклопедии термодинамики человека"