맥스웰의 열역학 표면

Maxwell's thermodynamic surface
맥스웰의 석고 모형 사진들은 다른 각도에서 찍은 것입니다.

맥스웰의 열역학 표면은 스코틀랜드 물리학자 제임스 클럭 맥스웰 (1831–1879)에 의해 만들어진 1874년[1] 조각이다.이 모형은 물과 같은 [2]성질을 가진 가상의 물질의 다양한 상태의 3차원 공간을 제공한다.이 그림에는 좌표 부피(x), 엔트로피(y) 및 에너지(z)가 있습니다.그것은 1873년 미국 과학자 조시아 윌러드 [3][4]깁스의 그래픽 열역학 논문에 기초했다.맥스웰의 말을 빌리면, 이 모델은 "알려진 물질의 주요 특징을 편리한 [5]척도로 나타낼 수 있다."

모델 구축

깁스의 논문은 깁스가 "열역학 표면"이라고 부르는 것을 정의했는데, 이것은 다른 온도와 압력에서 물질의 부피, 엔트로피, 그리고 에너지 사이의 관계를 표현했다.그러나 깁스는 이 표면의 [3][6]도표를 포함하지 않았다.깁스의 논문의 전재본을 받은 후, 맥스웰은 깁스의 새로운 관점이 제공하는 통찰력을 인식하고 표면의 [7]물리적 3차원 모델을 구성하기 시작했다.이것은 강력한 시각[8] 사상가로서의 맥스웰의 재능과 미리 구성된 현대 과학 시각화 [3]기술을 반영했다.

맥스웰은 원래의 모형을 점토로 조각하고 점토 모형으로 여러 개의 석고 주물을 만들어 깁스에게 선물로 보냈고, 캠브리지 [3]대학의 그의 연구실에 두 개를 보관했습니다.맥스웰의 복사본은 캠브리지 대학의 [3][9]캐번디시 연구소에, 깁스의 복사본은 깁스가 교수로 재직했던 예일 [10]대학의 슬론 물리학 연구소에 전시되어 있다.두 권의 사본이 스코틀랜드 국립 박물관에 소장되어 있는데, 하나는 피터 타이트를 통해, 다른 하나는 조지 크리스탈을 [11][12][13]통해 소장되어 있습니다.토마스 앤드류스에게 [13]또 한 통이 보내졌다.제임스 피칸스 2세가 1942년에[14] 출판한 것을 포함하여 20세기 중반에 이러한 석고 깁스의 역사적인 사진들이 많이 찍혔고, 이 사진들은 맥스웰의 시각화 접근법에 더 많은 사람들을 노출시켰다.

모델의 용도

맥스웰의 '열 이론'에 나오는 열역학 표면도.이 다이어그램은 위 왼쪽 상단 사진과 대략 같은 각도로 그려지며, 3D 축 e(에너지, 아래쪽으로 증가), θ(엔트로피, 오른쪽 하단 및 면외로 증가) 및 v(오른쪽 상단 및 면내로 증가)를 보여 줍니다.

깁스가 설명하고 맥스웰이 한 바와 같이, U-V-S(에너지-볼륨-엔트로피) 표면은 일반적인 P-V-T(압력-볼륨-온도) 표면보다 날카롭고 불연속적인 위상 전이를 순수하게 연속적이고 매끄러운 상태 U S U에서 나타나는 기하학적으로 설명할 수 있다는 장점이 있었다. ; Maxwell의 표면은 고체, 액체 및 기체상에 존재할 수 있는 물질의 일반적 거동을 보여줍니다.기본적인 기하학적 연산은 표면에 접선 평면(예: 평평한 유리판)을 놓고 표면에 닿는 곳을 관찰하면서 굴리는 것이었습니다.이 연산을 사용하여 절대 안정상과 준안정상 사이의 경계(예: 과열과 과냉각)와 준안정상 사이의 스피노달 경계(spinodal boundary)를 식별하고 임계점을 [15]설명하기 위해 3중점인 위상 공존을 설명할 수 있었다.

맥스웰은 석고를 햇빛에 쬐고 "빛이 표면을 [2]스쳤을 때 곡선을 따라" 등압(등온성)과 온도(등온성)의 선을 그었다.그는 이 대사들의 스케치를 많은 [16]동료들에게 보냈다.예를 들어, 1875년 7월 15일에 토마스 앤드류스에게 보낸 편지에는 이 [2]선들의 스케치가 포함되어 있었다.맥스웰은 그의 책 Theory of [15]Heat의 개정판에서 보다 상세한 설명과 선(그림)을 제공했고, 이 그림의 버전은 [6]깁스를 기리는 2005년 미국 우표에 실렸다.

두 나라에 전시되어 있을 뿐만 아니라, 맥스웰의 모델은 열역학 문헌에 계속 남아 있고, 이 주제에 관한 책들은 항상 완전한 역사적 정확성을 가지고 있는 것은 아니지만 종종 그것을 [17]언급한다.예를 들어, 조각으로 대표되는 열역학 표면은 맥스웰 자신의 [2]진술과는 달리 물의 [17]표면이라고 종종 보고된다.

관련 모델

맥스웰의 모델은 열역학 표면의 첫 번째 석고 모델이 아니었다: 1871년 깁스의 논문 이전에도 제임스 톰슨은 토마스 [18]앤드류스가 수집한 이산화탄소 데이터에 기초하여 석고 압력-체적-온도 그림을 만들었다.

1900년경, 네덜란드의 과학자 하이케 카메를링 오네스는 그의 제자 요하네스 페트루스 쿠엔과 그의 조수 잘베르그 반 젤스트와 함께 그들만의 석고 열역학 표면 [19]모델을 만들면서 맥스웰의 연구를 계속했다.이러한 모델은 실험실에서 얻은 정확한 실험 데이터를 기반으로 하며, 등압의 선을 [19]긋기 위한 특수 도구가 함께 제공되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Maxwell, James Clerk (1990). The Scientific Letters and Papers of James Clerk Maxwell: 1874-1879. p. 148. ISBN 9780521256278. I have just finished a clay model of a fancy surface, showing the solid, liquid, and gaseous states, and the continuity of liquid and gaseous states." (letter to Thomas Andrews, November, 1874)
  2. ^ a b c d Maxwell, James Clerk (1 January 1995). Maxwell on Heat and Statistical Mechanics: On "Avoiding All Personal Enquiries" of Molecules. p. 248. ISBN 9780934223348. I think you know Prof. J. Willard Gibbs's (Yale College Connecticut) graphical methods in thermodynamics. Last winter I made several attempts to model the surface which he suggests, in which the three coordinates are volume, entropy and energy. The numerical data about entropy can only be obtained by integration from data which are for most bodies very insufficient, and besides it would require a very unwieldy model to get all the features, say of CO2, well represented, so I made no attempt at accuracy, but modelled a fictitious substance, in which the volume is greater when solid than when liquid; and in which, as in water, the saturated vapour becomes superheated by compression. When I had at last got a plaster cast I drew on it lines of equal pressure and temperature, so as to get a rough motion of their forms. This I did by placing the model in sunlight, and tracing the curve when the rays just grazed the surface... I send you a sketch of these lines..." (letter to Thomas Andrews, 15 July 1875)
  3. ^ a b c d e Thomas G.West (February 1999). "James Clerk Maxwell, Working in Wet Clay". SIGGRAPH Computer Graphics Newsletter. 33 (1): 15–17. doi:10.1145/563666.563671. S2CID 13968486.
  4. ^ Cropper, William H (2004). Great Physicists: The Life and Times of Leading Physicists from Galileo to Hawking. p. 118. ISBN 9780195173246.
  5. ^ 맥스웰과 하만, 페이지 230-231: "기브스 표면의 선에 대한 대략적인 스케치를 동봉하고, 알려진 물질의 주요 특징이 편리한 척도로 표현될 수 있는 상상의 물질에서 부피 엔트로피 에너지를 좌표화한다." (제임스 톰슨에게 보내는 편지, 1875년 7월 8일)
  6. ^ a b 열역학 아버지를 기리는 새로운 우표 발행 추진 아이오와 주 화학 엔지니어: 아이오와 주립 대학교 – 2004년 Wayback Machine에서 2012-10-30년 아카이브 완료.
  7. ^ 맥스웰, 거버, 브러시, 에버릿, 49페이지
  8. ^ Ken Brodlie, "과거, 현재, 미래" , 제3회 중성자 산란 데이터 분석, 물리 연구에서의 핵 기구 및 방법에 관한 워크숍의 진행, 섹션 A: 가속기, 분광기, 검출기 및 관련 기기, 제354권, 제15권, 1995년 1월 104-11쪽, 1995년 1월 11일doi:10.1016/0168-9002(94)01031-5.
  9. ^ 캐번디시 연구소의 박물관: 맥스웰의 장치.
  10. ^ Kenneth R. Jolls (1990). "Gibbs and the art of thermodynamics". In D. G. Caldi; George D. Mostow (eds.). Proceedings of the Gibbs Symposium, Yale University, May 15–17, 1989. American Mathematical Society. p. 321. ISBN 978-0-8218-0157-4.
  11. ^ "Thermodynamic model".
  12. ^ "Thermodynamic model".
  13. ^ a b "Thermodynamic surface".
  14. ^ Muriel Rukeyser(1942), Willard Gibbs American Genius (Ox Bow Press, ISBN 0-918024-57-9) 페이지 203.
  15. ^ a b James Clark Maxwell, Theory of Heat, 1891년 존 스트럿, 제3대 레일리 남작에 의해 개정: 선들의 그림은 207페이지의 그림 26d와 같이 나타납니다.
  16. ^ 맥스웰, 거버, 브러시, 에버릿, 50페이지
  17. ^ a b 예를 들어 Don S를 참조하십시오.Lemons, Mere Thermodynamics, Johns Hopkins University Press, 2008, ISBN 0-8018-9015-2, 페이지 146.
  18. ^ Johanna Levelt Sengers, How Fluids Unix: Wan der Waals and Kamerlingh Onnes School by School of Van der Waals and Kamerlingh Onnes, 2007-05-30 Archived 2007, 2002, 페이지 56 및 104.
  19. ^ a b 네덜란드 왕립 예술 과학 아카데미의 웨이백 머신에서 3D 모델/혼합품/실험: Kamerlingh Onnes 아카이브 2004-12-10 페이지를 참조하십시오.이러한 모델 중 일부는 Museum Boerhaave: Room 21 Archived 2011-06-07 Wayback Machine에 전시되어 있습니다.

외부 링크