Ж. Б. Фурье и неравновесная термодинамика

В доме Ж. Б Фурье в Гренобле всегда стояла несусветная жара — хозяин был просто помешан на тепле Одевался он тоже очень тепло даже в жаркую погоду. В 1798 г вместе с другими выдающи­мися учеными Франции ( общее их количество составляло 165 чело­век!) он присоединился к свите Наполеона Бонапарта для участия в египетском военном походе. Император изгонял турок из Египта, сражался в Палестине с сирийцами, преследовал предводителя маммонов Марад-бея. Что же касается ученых, то они были заняты географией, археологией, медициной, земледелием, математикой, историей и т. д. Фурье был назначен секретарем Египетского инсти-

тута — довольно известного научного учреждения. Поручались ему и дипломатические задания.

В 1801 г. французы были изгнаны из Египта, а ученые несколько раньше отплыли на родину. Во Франции Ж. Б. Фурье стал профес­сором математического анализа знаменитой Политехнической шко­лы в Париже, основанной членом Директории, а позже — минист­ром, математиком и механиком Лазарем Карно (1753-1823) — отцом знаменитого Сади Николая Леонарда Карно — создателя термоди­намики. С. Карно в эту школу поступил в 1812 г., а закончил в 1814 г, став военным инженером. Сам император заботился о школе, многое прощал ее профессорам даже тогда, когда они распростра­няли свои, по его мнению, непомерные требования к обучающимся там его любимым артиллеристам. Известны, тем не менее, много­численные сентенции Наполеона в пользу ученых: «Настоящих уче­ных никогда не бывает слишком много», «Ученых надо оберегать в походах наравне с коровами — здоровье и тех и других необходимо для победы», «Предела учености не существует» и т. д.

Работая в Политехнической школе, Ж. Б. Фурье в 1802 г. вывел уравнение, описывающее распространение тепла в твердом теле (уравнение Фурье-Кирхгофа в современных курсах теплопередачи), заложив, по сути дела, основы неравновесной термодинамики. В том же году он снова на службе у Наполеона: возглавляет строительст­во железной дороги на Турин, осушает 80000 кв. км малярийных бо­лот, занимаемся проблемами транспорта и экологии.

Метод решения своего уравнения Фурье нашел в 1807 г., изобре­тя новый математический прием, известный сегодня во всем мире как преобразования Фурье, или Фурье-преобразов^ния. Языком ма­тематики ученый научился делать то, что наше ухо самопроизволь­но и ежедневно делает с помощью разработанного природой органа: улитки среднего уха. Свою книгу «Аналитическая теория тепла» Ж Б. Фурье сумел выпустить только в 1822 г. , то есть через 15 лет после получения новых результатов. Причина стандартная. Колле­ги-ученые сомневались, что любое исходное распределение тем­пературы в теле можно разложить на составляющие в виде главной гармоники и гармоник более высоких частот, а ведь сре­ди этих сомневающихся были и такие корифеи, как Лагранж, Лап­лас, Лежанр, Био, Пуассон, Эйлер… Таким образом, датой появления неравновесной термодинамики считается 1922 г. Дальнейшие от­крытия, подтверждающие правильность уравнения переноса Фурье и метод его решения, не заставили себя ждать: экспериментальный

закон Ома был открыт в 1826 г., закон диффузии Фика в 1855 г., а закон фильтрации через пористые среды (закон Дарси) в 1856 г. Все эти законы говорили об одном и том же — поток переносимой суб­станции J прямо пропорционален (множитель пропорциональности L) градиенту температуры, электрического потенциала, концентра­ции, давления и т. д. В дальнейшем все эти линейные законы пере­носа станут базой линейной неравновесной термодинамики.

Термодинамические соображения при рассмотрении необрати­мых процессов впервые применил В. Томсон (лорд Кельвин) в 1854 г. Следующий крупный шаг в становлении неравновесной термоди­намики сделал Л. Онзагер, установивший в 1931 г. соотношения взаимностей между множителями пропорциональности L в системе линейных уравнений, описывающих поведение систем с многими действующими одновременно потоками (термоэлектродиффузия и т. д.):

Затем Дж. Мейкснер (1941) и И. Пригожин (1947) фактически завер­шили построение феноменологической теории, дав уравнения для определения интенсивности роста энтропии в неравновесных необ­ратимых процессах.

В настоящее время предпринимаются попытки построить термо­динамику нелинейных, то есть далеких от равновесия, необратимых процессов.

Современная термодинамика совершенно легально может и дол­жна заниматься основной тайной мироздания — жизнью, возможно­стями и законами ее зарождения и развития вплоть до самых совер­шенных структур, включая создание комплекса машин, орудий, энергетических установок и вообще всего того, что выполняет те или иные антиэнтропийные функции. И. Пригожии пишет:"Жизнь более не выглядит как островок сопротивления второму началу тер­модинамики или как деятельность каких-то демонов Максвелла. Она возникает теперь как следствие общих законов физики с прису­щей ей специфической кинетикой химических реакций, протекаю­щих в далеких от равновесия условиях. Благодаря этим специаль­ным кинетическим законам потоки энергии и вещества создают флуктуацнонный и структурный порядок в открытых системах’.

Эволюция Вселенной, эволюция жизни, приспособляемости жизни к внешней среде н, в частности, эволюция технических средств человечества, включая аэрокосмические средства, иерархия известных и предсказываемых структур — вот далеко не полный пе­речень проблем, стоящих перед современной неравновесной термо­динамикой.