Методология Канта и термодинамика

Кантом был открыт метод построения научного знания на примере механики, в результате чего была создана методология, пригодная для других разделов физики.

Согласно Канту, существуют всеобщие законы природы, они априорны и объективны. Этим законам подчиняются объекты физической теории. Законы превращаются в различные схемы, которые в дальнейшем применимы при обработке чувственного материала.

Всеобщие законы природы трансцендентальны, то есть в физике, только на их основе возможно перейти от незнания к знанию.

На современном физическом языке законы Канта будут формулироваться следующим образом:

1. «Закон состояния (или закон постоянства субстанции). Каждый концептуальный объект физической теории обладает состоянием, субстанция которого (функция состояния) задается акциденциями (параметрами состояния), причем состояние не изменяется само собой (без причины). Другими словами, количественная мера состояния концептуального объекта физической теории без причины не изменяется».

2. «Закон связи причины и действия. Причина изменения состояния количественно всегда равна своему действию (изменению функции состояния), но не тождественна ему».

3. «Закон взаимодействия. Каждому изменению состояния концептуального объекта физической теории всегда есть равное и противоположное изменение состояния другого объекта, между этими объектами осуществляется взаимодействие, причем способ действия всегда такой же, как и способ противодействия».

Рассмотрим теперь можно ли применить методологию Канта к термодинамике. Термодинамика изучает внутреннее состояние материальных объектов и его изменение. Термодинамику интересует что происходит внутри тела (исследуемого объекта). Ни при каких условиях мы не можем рассматривать тело как материальную точку.

Часть пространства не нулевого объема заполненная материей, является моделью применяемой в термодинамике. Моделью материи будет сплошная среда. Масса определяется как величина, равная произведению плотности материи на объём. Плотность здесь понимается как степень заполненности пространства материей, а не как масса деленная на объем. Введем эталон плотности, принятый за единицу плотности. «Пусть им окажется плотность некоторого выбранного материала, размещенного в данном объеме при данных условиях. Тогда при распределении того же самого количества материи в объеме, увеличенном в N раз, получим плотность материи в N раз меньшую».

Материальной системой называется часть пространства заполненного сплошной средой. Система называется термодинамической если её состояние можно задать конечным набором параметров. Система может находится в равновесном и неравновесном состоянии.

«Модель сплошной среды заставляет рассматривать такие характеристики материальной системы, как объём и плотность, с принципиально иных позиций». Понятие плотности является первичным по отношению к понятию массы системы. «В модели сплошной среды масса определяется через интегрирование по объему:

M= ,

где -  плотность среды».

Объём является параметром состояния. Плотность в случае однородной термодинамической системы, так же является параметром состояния системы. «Параметров состояния должно быть минимум два, иначе акциденция и субстанция окажутся неотличимыми друг от друга». Одним из параметров будем объем, а вторым энтропия, так как параметр, который вместе с объемом характеризует внутреннее состояние системы, должен быть однозначной и монотонной функцией времени.

Изменение энтропии при других неизменных параметрах когда-либо должно прекратиться или стать бесконечно медленным. Если существует причина для изменения энтропии, значит система неоднородна, то есть её части неравноправны. Со временем неоднородность между частями должна сглаживаться в результате их взаимодействия между собой. Энтропия - возрастающая функцию времени следовательно она достигнуть насыщения (максимума). Такое состояние системы называется термодинамическим равновесием. «Субстанцию (функцию) внутреннего равновесного состояния назовем равновесной внутренней энергией. Мы пришли к положению, с которого начинается мышление о внутреннем состоянии сплошной среды, к нулевому началу термодинамики. При неизменном объеме и постоянных внешних условиях энтропия термодинамической системы достигает максимального значения, и система приходит в равновесное состояние с равновесной внутренней энергией».

Если система находится в состоянии равновесия, то её состояние можно задать объемом и равновесной энтропией. То есть внутренняя энергия системы, есть функция объема и энтропии. «Поэтому можно записать:

,

где U - равновесная внутренняя энергия, V - объём, S - равновесная энтропия». Мы видим, что изменение внутренней энергии связано с изменением объема при постоянной энтропии и с изменением энтропии при постоянном объеме. Следовательно, есть два способа изменения внутренней энергии, работа и теплопередача. «В этом заключается второе положение, назовем его объединенным (первое объединяется со вторым) началом термодинамики».

Окружающую исследуемую систему среду, мы также можем рассматривать как систему. Между системой и окружающей средой происходить взаимодействие, которое приводит системы к новому равновесному состоянию. Объемом и энтропией задается начальное состояние каждой из систем. Объем остается постоянным, меняется только энтропия. «Общая субстанция состояния количественно остается постоянной. Поэтому:

Эти утверждения надо признать третьим основным априорным положением термодинамики».

Сейчас рассмотрена только феноменологическая термодинамика, которая не имеет дела с атомно-молекулярным строение вещества. Актуальной задачей остается рассмотрение соотношения феноменологической термодинамики и статистической механики.