Теоретические основы термодинамики

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В Физическом энциклопедическом словаре написано: «Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями». Поскольку основой любых макроскопических систем являются обитатели микромира, то термодинамика макромира должна иметь связь с термодинамикой микромира. Попытаемся установить эту связь.

Термодинамика макромира использует ряд специфических понятий. Первое из них - «Первое начало термодинамики», которое устанавливает эквивалентность теплоты и работы и позволяет сравнивать их количества в одних и тех же единицах. Основы этой эквивалентности были заложены Ю. Р. Майером и Дж. Джоулем в 1842-1943 годах. Из этого начала следует невозможность создания так называемого «вечного двигателя», под которым стали понимать процесс, рождающий энергии больше, чем затрачено на его реализацию. Это следствие было признано всеобщим и явилось главным критерием для безоговорочного отрицания существования таких процессов, которые генерируют энергии больше затрачиваемой на их реализацию. Кратко этот критерий называют законом сохранения энергии [1].

Однако, в начале XXI появилось достаточно много экспериментальных данных, которые поставили под сомнение достоверность указанного критерия, а значить и - «Первого начала термодинамики». В Интернете уже обилие различных устройств, которые работают, не имея традиционного первичного источника энергии и, таким образом реализуют функции вечных двигателей или электрогенераторов [1], [2], [6], [7], [8], [9]. Раньше это считалось невозможным.

Ошибочность закона сохранения энергии, как критерия для оценки баланса между затрачиваемой и вырабатываемой энергией сохранялась так долго потому, что не был открыт закон формирования мощности в электрических цепях с разной скважностью импульсов напряжения. Теперь этот закон открыт и его достоверность доказана экспериментально. Оказалось, что при импульсном воздействии на ионы и кластеры воды затраты энергии на её нагревание зависят от скважности импульсов и могут быть значительно меньше получаемой при этом тепловой энергии. Это явно противоречит закону сохранения энергии в его существовавшей формулировке и - отрицает достоверность «Первого начала термодинамики» [1], [2].

Однако указанный эффект оставался не выявленным, так как все современные счётчики электроэнергии настроены на непрерывный процесс учёта, непрерывно действующего постоянного или переменного напряжения. Если электроэнергия потребляется импульсами, то все современные счётчики электроэнергии увеличивают её реальный расход в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Уже разработаны и действуют нагревательные элементы со скважностью импульсов напряжения, равной 100. Это значит, что все счётчики электроэнергии завышают реальный расход электроэнергии такими нагревательными элементами в 100 раз. Количество экспериментальных доказательств достоверности этого уже неисчислимо [2], [9].

Вторым специфическим понятием Термодинамики макромира является понятие «Второе начало термодинамики». Физическую суть этого понятия наиболее удачно отразил Р. Клаузис в 1850 г. Она заключается в том, что невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. Дальше мы приведём математическую модель этого закона и детально опишем суть процесса, реализующего «Второго начала термодинамики».

Выявление особенностей теоретических основ Термодинамики начнём с анализа закона излучения абсолютно черного тела, открытого Максом Планком в начале ХХ века.

Закон излучения абсолютно черного тела - закон классической физики.

Известно, что в конце 19 века было объявлено, что законы классической физики успешно работают только в макромире, а в микромире работают другие - квантовые законы. Эта точка зрения была господствующей в течение всего ХХ века. И вот теперь, когда мы на базе законов классической физики выявили модели фотона, электрона, протона, нейтрона и принципы формирования ядер, атомов и молекул, возникает вопрос: а не ошиблись ли физики прошлых поколений, похоронив возможности классической физики решать задачи микромира? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте внимательно проанализируем истоки недоверия к классической физике при поиске приемлемого варианта интерпретации экспериментальной информации об излучении абсолютно черного тела (рис. 1) [1].

Все началось с установления закона излучения абсолютно черного тела (рис. 1). Вывод математической модели этого закона, выполненный Максом Планком в начале ХХ века, базировался на понятиях и представлениях, которые, как считалось, противоречат законам классической физики.

Рис. 1. Кривые распределения энергии в спектре абсолютно черного тела

Планк ввел в математическую модель закона излучения абсолютно черного тела константу с размерностью механического действия, что явно противоречило представлениям о волновой природе электромагнитного излучения. Тем не менее, его математическая модель достаточно точно описывала экспериментальные зависимости этого излучения. Введенная им константа указывала на то, что излучение идет не непрерывно, а порциями. Это противоречило закону излучения Релея - Джинса, который базировался на представлениях о волновой природе электромагнитного излучения, но описывал экспериментальные зависимости лишь в диапазоне низких частот.

Поскольку в математической модели закона излучения абсолютно черного тела присутствует математическая модель закона излучения Релея - Джинса, то получается, что планковский закон излучения абсолютно черного тела базируется на исключающих друг друга волновых и корпускулярных представлениях о природе излучения.

Несовместимость непрерывного волнового процесса излучения с парциальным процессом явилась веским основанием для признания кризиса классической физики.

С этого момента физики начали полагать, что сфера действия законов классической физики ограничена макромиром. В микромире, считают они, работают другие, квантовые законы, поэтому физика, описывающая микромир, должна называться квантовой физикой. Следует отметить, что Макс Планк пытался разобраться со смесью таких физических представлений и вернуть их на классический путь развития, но ему не удалось решить эту задачу.

Спустя почти сто лет нам приходится констатировать, что граница между законами классической и квантовой физики до сих пор не установлена.

По-прежнему испытываются значительные трудности при решении многих задач микромира и многие из них считаются не разрешимыми в рамках сложившихся понятий и представлений, поэтому мы вынуждены возвратиться к попытке Макса Планка выполнить вывод математической модели закона излучения абсолютно черного тела на основе классических представлений.

Прежде всего, приведем формулу Релея-Джинса, которая удовлетворительно описывает экспериментальную закономерность низкочастотного диапазона излучения (рис. 1).

Основываясь на волновых представлениях об электромагнитном излучении, они установили, что энергия, заключенная в объёме абсолютно черного тела, определяется зависимостью

, (1)

где - частота излучения; - объём полости абсолютно черного тела (рис. 1); - скорость света; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура излучения.

Разделив левую и правую части соотношения (1) на объём , получим объёмную плотность электромагнитного излучения

. (2)

Вывод этой формулы базируется на представлении о существовании в замкнутой полости абсолютно черного тела (рис. 1) целого числа стоячих волн электромагнитного излучения с частотой .

Чтобы получить математическую модель, которая описывала бы весь спектр электромагнитного излучения абсолютно черного тела, Макс Планк постулировал, что излучение идет не непрерывно, а порциями так, что энергия каждой излученной порции оказывается равной , и формула для расчета плотности электромагнитного излучения абсолютно черного тела оказалась такой (рис. 1)

. (3)

Величина - константа с механической размерностью действия. Причем смысл этого действия в то время был совершенно неясен. Тем не менее, математическая модель (3), полученная Планком, достаточно точно описывала экспериментальные закономерности излучения абсолютно черного тела (рис. 1).

Как видно, выражение в формуле (3) играет роль некоторого существенного дополнения к формуле (2) Релея - Джинса, суть которого сводится к тому, что - энергия одного излученного фотона.

Конечно, чтобы понять физический смысл планковского дополнения надо иметь представление об электромагнитной структуре фотона, так как в этой структуре скрыт физический смысл самой постоянной Планка. Поскольку произведение описывает энергии фотонов всей шкалы электромагнитного излучения, то в размерности постоянной Планка и скрыта электромагнитная структура фотона. Нами уже установлено, что фотон имеет такую вращающуюся магнитную структуру, центр масс которой описывает длину волны , равную радиусу его вращения. В результате математическое выражение константы Планка принимает вид

(4)

Как видно, константа Планка имеет явную механическую размерность момента импульса, момента количества движения или кинетического момента. Хорошо известно, что постоянством момента импульса и кинетического момента управляет закон сохранения момента импульса или кинетического момента и сразу становится ясной причина постоянства постоянной Планка. Прежде всего, понятие «закон сохранения момента импульса или кинетического момента» является понятием классической физики, а точнее - классической механики. Он гласит, что если сумма моментов внешних сил, действующих на вращающееся тело, равна нулю, то момент импульса или кинетический момент такого тела остаётся постоянным по величине и направлению.

Конечно, фотон не является твердым телом, но он имеет массу и у нас есть все основания полагать, что роль массы у фотона выполняет вращающаяся относительно оси магнитная субстанция, то есть - магнитное поле [1]. Из математической модели (4) постоянной Планка следует, что магнитная модель фотона должна быть такой, чтобы одновременное изменение массы , радиуса и частоты вращающихся магнитных полей фотона оставляло бы их произведение, отраженное в математическом выражении постоянной Планка (4), постоянным.

Например, с увеличением массы (энергии) фотона уменьшается длина его волны. Опишем повторно, как это изменение реализуется постоянной Планка (4) в модели фотона (рис. 2).

Рис. 2. Схема кольцевых магнитных полей фотона

Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения кинетического момента, то с увеличением массы фотона растет плотность его магнитных полей (рис. 2) и за счет этого увеличиваются магнитные силы , сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробежными силами инерции, действующими на центры масс этих полей. Это приводит к уменьшению радиуса вращения фотона, который всегда равен длине его волны . Но поскольку радиус в выражении постоянной Планка возводится в квадрат, то для сохранения постоянства постоянной Планка (4) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого незначительное изменение массы фотона автоматически изменяет его радиус вращения и частоту так, что момент импульса (постоянная Планка) остается постоянным. Таким образом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру, меняют массу, частоту и радиус вращения так, чтобы То есть принципом этого изменения управляет закон сохранения момента импульса.

Если задаться вопросом: почему фотоны всех частот движутся в вакууме с одинаковой скоростью? То получается следующий ответ.

Потому что изменением массы фотона и его радиуса управляет закон локализации таким образом, что при увеличении массы фотона его радиус уменьшается и наоборот. Тогда для сохранения постоянства констатнты Планка при уменьшении радиуса частота должна пропорционально увеличиваться. В результате их произведение остаётся постоянным и равным . При этом скорость центра масс фотона (рис. 2) изменяется в интервале длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной (рис. 3) [1], [2].



Рис. 3. График скорости центра масс фотона

Таким образом, постоянством константы Планка управляет один из самых фундаментальных законов классической физики (а точнее - классической механики) - закон сохранения момента импульса. В современной физике его называют законом сохранения момента импульса. Это - чистый классический механический закон, а не какое - то мистическое квантовое действие, как считалось до сих пор. Поэтому появление постоянной Планка в математической модели излучения абсолютно черного тела не даёт никаких оснований утверждать о неспособности классической физики описать процесс излучения этого тела. Наоборот, самый фундаментальный закон классической физики - закон сохранения кинетического момента как раз и участвует в описании этого процесса, поэтому нет смысла сохранять название «Квантовая физика», та как планковский закон излучения абсолютно черного тела является законом классической физики. Ниже приводится вывод этого закона, основанный на классических представлениях.

Классический вывод закона излучения абсолютно черного тела.

Мы воспользуемся идеями Релея - Джинса при расчете количества порций электромагнитного излучения в полости абсолютно черного тела. Однако отдельную порцию электромагнитного излучения мы будем представлять не в виде стоячей волны, а в виде фотона (рис. 2). Поскольку радиусы замкнутых магнитных (рис. 2) полей фотона равны примерно , а расстояния от центра масс фотона до центров масс магнитных полей равно , то фотон имеет не сферическую, а плоскую форму, объём которой составляет, примерно, четверть объёма сферы с радиусом . Таким образом, объём локализованного пространства, в котором может находиться фотон составит, примерно, . Поскольку объём сферической полости радиуса абсолютно черного тела на много порядков больше объёма фотона, то максимальное количество фотонов в этой полости (как и максимальное количество стоячих волн в формуле Релея - Джинса) определится зависимостью

. (5)

Учитывая, что , имеем

. (6)

В интервале частот от до количество фотонов будет равно

. (7)

Поскольку фотон движется прямолинейно и вращается относительно своей оси, то в трехмерном Евклидовом пространстве он имеет шесть степеней свободы.

Учитывая это и разделяя левую и правую части соотношения (7) на объём , получим дифференциал плотности фотонов в сферической полости абсолютно черного тела

. (8)

Интегрируя, найдем плотность фотонов в сферической полости абсолютно черного тела

. (9)

Итак, мы имеем плотность (9) фотонов в сферической полости абсолютно черного тела (рис. 1). Если сферическая полость будет иметь небольшое отверстие, то энергия, излучаемая через это отверстие, будет зависеть, прежде всего, от энергии каждого фотона . Далее, фотоны, прошедшие через отверстие в сферической полости, будут поглощаться. Поскольку энергия каждого фотона в плоскости его поляризации реализуется двумя степенями свободы, то величина тепловой энергии излученных фотонов будет равна . Из этого следует, что объёмная плотность излучения абсолютно черного тела будет зависеть от энергии каждого излученного фотона и энергии всей совокупности излученных фотонов.

Так как излучение абсолютно черного тела представляет собой совокупность фотонов, каждый из которых имеет только кинетическую энергию, то мы должны ввести в математическую модель закона максвелловского распределения кинетическую энергию фотона и тепловую энергию совокупности излученных фотонов

. (10)

Далее, мы должны учесть, что фотоны излучаются электронами атомов при их энергетических переходах. Каждый электрон может совершать серию переходов между энергетическими уровнями , излучая при этом фотоны разной энергии. Поэтому полное распределение объёмной плотности энергий излученных фотонов будет состоять из суммы распределений, учитывающих энергии фотонов всех энергетических уровней. С учетом изложенного, закон Максвелла, учитывающий распределения энергий фотонов всех () энергетических уровней атома, запишется так

, (11)

где - главное квантовое число, определяющее номер энергетического уровня электрона в атоме.

Известно, что сумма ряда (11) равна

. (12)

Умножая правую часть плотности фотонов (9) в полости абсолютно черного тела на энергию одного фотона и на математическое выражение (12) закона распределения этой плотности, получим

. (13)

Это и есть закон излучения абсолютно черного тела (3), полученный Максом Планком. Выражение (13) незначительно отличается от выражения (3) коэффициентом, который, как считалось до сих пор, учитывает число степеней свободы электромагнитного излучения абсолютно черного тела. По мнению Э.В. Шпольского его величина зависит от характера волн электромагнитного излучения и может изменяться от до [3].

Однако, в рамках изложенных представлений переменный коэффициент

(14)

характеризует плотность фотонов в полости абсолютно черного тела. Более точное значение постоянной составляющей этого коэффициента можно определить экспериментально.

Таким образом, мы вывели закон излучения абсолютно черного тела, основываясь на чистых классических представлениях и понятиях, и видим полное отсутствие оснований полагать, что этот закон противоречит классической физике.

Наоборот, он является следствием законов этой физики. Все составляющие математической модели закона (13) излучения абсолютно черного тела приобрели давно присущий им четкий классический физический смысл.

Обратим особое внимание на то, что в спектре абсолютно чёрного тела присутствуют фотоны (рис. 1 и 2) разных радиусов , а максимумы температур (2000 и 1500 град. С) формирует совокупность фотонов с определёнными радиусами, величины которых достаточно точно определяет формула Вина

. (15)

Например, максимум температуры 2000С формирует совокупность фотонов с радиусами (рис. 1).

 (16)

Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона и у нас сразу возникает возражение. Опыт подсказывает нам, что температуру 2000С формируют видимые фотоны светового диапазона. Такая точка зрения - яркий пример ошибочности наших интуитивных представлений. Поясним её суть на следующем примере.

Солнечный морозный зимний день с температурой минус 30 град. Цельсия с хрустящим снегом под ногами. Обилие солнечного света формирует у нас иллюзию максимального количества световых фотонов, окружающих нас, и мы готовы уверенно констатировать, что находимся в среде фотонов со средней длиной волны (точнее теперь со средним радиусом) светового фотона (табл. 1). Но закон Вина (15) поправляет нас, доказывая, что мы находимся в среде фотонов, максимальная совокупность которых имеет радиусы (длины волн), равные (табл. 1).

Таблица 1. Диапазоны изменения длин волны (или радиусов фотонов) и энергии , так называемых, электромагнитных излучений

Диапазоны	Длина волны , м	Энергия , eV
1. Низкочастотный
2. Радио
3. Микроволновый
4. Реликтовый (макс)
5. Инфракрасный
6. Световой
7. Ультрафиолетовый
8. Рентгеновский
9. Гамма диапазон

 (17)

Как видите, наша интуитивная ошибка более двух порядков. В яркий солнечный зимний день при морозе минус 30 градусов мы находимся в среде с максимальным количеством не световых, а инфракрасных фотонов с длинами волн (или радиусами) . Попутно отметим, что длины волн (радиусы) фотонов изменяются в интервале 15 порядков (рис. 2). Самые большие радиусы () имеют фотоны реликтового диапазона (табл. 1), формирующие минимально возможную температуру вблизи абсолютного нуля, а самые маленькие () - гамма фотоны (табл. 1) вообще не формируют никакую температуру. Формированием структуры фотонов и их поведением управляют 7 констант [2].

Представленная информация убеждает нас в справедливости формулы Вина (15) и мы можем найти радиусы фотонов, совокупность которых формирует второй максимум температуры (рис. 1).

. (18)

Как видно (14 и 18), с уменьшением температуры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, увеличиваются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы и мы в этом убедимся при анализе спектра излучения Вселенной.

Считалось, что формула Вина справедлива только для замкнутых систем (рис. 1). Однако, последующие исследования показали, что она идеально описывает не только излучение абсолютно черного тела (рис. 1), как замкнутой системы, но и Вселенной - абсолютно незамкнутой системы. В результате встал вопрос о возможности применения формулы Вина для определения температуры в любой точке пространства. Поиск ответа на этот вопрос привёл к открытию закона формирования температур в любых двух точках пространства. Дальше мы детально познакомимся с этим законом и покажем, что его математическая модель идеально отражает физическую суть «Второго начала термодинамики». А сейчас посмотрим, как законы Планка и Вина позволяют правильно интерпретировать излучение Вселенной. Достоверность этой интерпретации полностью исключает рождение Вселенной из так называемого «Большого взрыва». Одновременно проясняются источники реликтового излучения и закон формирования температур в любой точке пространства.

Спектр излучения Вселенной.

Излучение Вселенной, названное реликтовым, впервые было открыто американскими физиками Пензиасом и Вильсоном в 1965 г. за что им была присуждена Нобелевская премия в 1978 г. Анализ спектра этого излучения показал, что его зависимость от длины волны похожа на экспериментальную зависимость излучения охлаждающегося черного тела (рис. 1), которая описывается формулой Планка (13). Поэтому принадлежность реликтового излучения процессу охлаждения Вселенной после так называемого Большого взрыва была признана доказанным фактом.

Однако в 2004 г. этот факт был опровергнут. Новый анализ спектра реликтового излучения показал, что его источником является процесс синтеза и охлаждения атомов водорода, который идет в звёздах Вселенной непрерывно и не имеет никакого отношения к Большому взрыву [1].

В 2006 г. Нобелевский комитет выдал вторую премию за дополнительную экспериментальную информацию о реликтовом излучении, оставив в силе ошибочную интерпретацию природы этого излучения. Это побудило нас опубликовать подробный анализ реликтового излучения, убедительно доказывающий реальный, а не вымышленный источник этого излучения. Сейчас мы покажем истинную природу других максимумов излучения Вселенной (рис. 4, точки В и С), которые, как считается, формируются инфракрасными источниками.

Реликтовое излучение.

Считается, что реликтовое излучение (рис. 4, максимум в точке А) родилось более 10 миллиардов лет назад в результате «Большого взрыва». Интенсивность реликтового излучения выше среднего фона не обнаружена. Уменьшение плотности реликтового излучения от фоновой величины фиксируется и называется анизотропией реликтового излучения. Она обнаружена на уровне 0,001% и объясняется существованием эпохи рекомбинации водорода, спустя 300 тысяч лет после «Большого взрыва». Эта эпоха, как считают астрофизики, «заморозила» неоднородность в спектре излучения, которая сохранилась до наших дней (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость плотности реликтового излучения Вселенной от длины волны: теоретическая - тонкая линия; экспериментальная - жирная линия

Известно, что наблюдаемая нами Вселенная состоит из 73 процентов водорода, 24 процентов гелия и 3 процентов более тяжелых элементов. Это значит, что фоновую температуру формируют фотоны, излучаемые рождающимися атомами водорода. Известно также, что рождение атомов водорода сопровождается процессом сближения электрона с протоном, в результате которого электрон излучает фотоны, характеристики которых представлены в Приложении-1.

Теоретическая зависимость плотности излучения Вселенной (рис. 4 - тонкая линия) подобна зависимости плотности излучения абсолютно черного тела (рис. 1) описываемого формулой Планка (4).

С учетом физического смысла составляющих формулы Планка, физический смысл всей формулы - статистическое распределение количества фотонов разных энергий в полости черного тела с температурой .

Максимум излучения Вселенной зафиксирован при температуре (рис. 4, точка А). Длина волны фотонов, формирующих эту температуру, равна

(19)

Совпадение теоретической величины длины волны (рис. 4, точка 3) с её экспериментальным значением (рис. 5, точка А), доказывает корректность использования формулы Вина (15, 16) для анализа спектра излучения Вселенной.

Фотоны с длиной волны , обладают энергией

. (20)

Энергия соответствует энергии связи электрона с протоном в момент пребывания его на 108 энергетическом уровне (Приложение-1). Она равна энергии фотона, излучённого электроном в момент установления контакта с протоном и начала формирования атома водорода.

Процесс сближения электрона с протоном протекает при их совместном переходе из среды с высокой температурой в среду с меньшей температурой или, проще говоря, при удалении от звезды. Сближение электрона с протоном идёт ступенчато. Количество пропускаемых ступеней в этом переходе зависит от градиента температуры среды, в которой движется родившийся атом водорода. Чем больше градиент температуры, тем больше ступеней может пропустить электрон, сближаясь с протоном.

Для уменьшения влияния фонового излучения на погрешность измерений рабочий элемент прибора (болометр) охлаждают. Предел этого охлаждения определяет границу максимально возможной длины волны излучения, при которой можно измерить его интенсивность. Экспериментаторы отмечают, что им удалось вывести в космос приборы, болометр которых был охлажден до температуры . Длина волны фотонов, формирующих эту температуру, равна

. (21)

На рис. 4 длина волны соответствует точке N. Это - предел возможностей экспериментаторов измерять зависимость интенсивности излучения с большей длиной волны. В интервале от точки N до точки у авторов нет экспериментальных данных (но они показали их), так как для их получения необходимо охлаждать болометры до температуры, меньшей 0,1К. Например, чтобы зафиксировать зависимость плотности излучения при длине волны (рис. 4), необходимо охладить болометр до температуры

. (22)

Для фиксации излучения при длине волны (рис. 4) потребуется охлаждение болометра до температуры

. (23)

В табл. 2 представлены длины волн и энергии фотонов, формирующих разную температуру среды. Экспериментально доказано существование минимальной температуры . В соответствии с законом Вина, длина волны фотонов, формирующих эту температуру, около (табл. 2).

Из изложенной информации следует, что максимально возможная длина волны фотона близка к 0,05м. Фотонов со значительно большей длиной волны в Природе не существует.

Экспериментальная часть зависимости в интервале DE (рис. 4) соответствует радиодиапазону. Она получается стандартными методами, но физическую суть этого излучения ещё предстоит уточнять.

Таблица 2. Длины волн и энергии фотонов, формирующих определённую температуру

Температура, / град. К	Длина волны фотонов	Энергия фотона, eV
2000/2273,16		0,973
1000/1273,16		0,545
100/373,16		0,160
10/283,16		0,121
1/274,16		0,117
0,0/273,16		0,117
-1/272,16		0,116
-10/263,16		0,113
-100/173,16		0,074
-200/73,16		0,031
-270/3,16		0,001
-272/1,16		0,0005
-273/0,16		0,00007
-273,06/0,10		0,00004
-273,10 /0,050		0,000024

Для установления максимально возможной длины волны фотона, соответствующей реликтовому излучению, найдём разность энергий связи электрона атома водорода, соответствующую 108-му и 107-му энергетическим уровням (Приложение-1).

(24)

Длина волны фотонов с энергией будет равна

(25)

Фотоны с такой длиной волны и энергией способны сформировать температуру

. (26)

Экспериментальная величина самой низкой температуры, примерно равна . Радиус фотонов, совокупность которых формирует такую температуру, равен

, (27)

Фотоны с такой длиной волны соответствуют реликтовому диапазону (табл. 1). Величина этой температуры близка к её минимальному значению, полученному в лабораторных условиях . Это означает, что точка L на рис. 5 близка к пределу существующих возможностей измерения максимальной длины волны реликтового излучения.

Таким образом, можно утверждать, что самые большие фотоны имеют радиусы, примерно равные, 0,052 м (27). В Природе нет фотонов, для формирования температуры (22), чтобы зафиксировать плотность реликтового излучения при длине его волны более 0,052 м (27), (рис. 4). Мы уже отмечали в прежних публикациях, что уточнение закономерности изменения плотности реликтового излучения с длиной волны более 0,05м должно быть главной целью будущих экспериментов.

А теперь опишем статистический процесс формирования максимума реликтового излучения. Максимуму плотности реликтового излучения соответствует длина волны излучения, примерно, равная 0,001063 м (рис. 4, точки 3 и А). Фотоны с такой длиной волны рождаются не только в момент встречи электрона с протоном, но и при последующих переходах электрона на более низкие энергетические уровни. Например, при переходе электрона со 108 энергетического уровня на 76 он излучит фотон с энергией (Приложение - 1)

(28)

Длина волны этого фотона будет близка к длине волны максимума реликтового излучения

(29)

Фотон с аналогичной длиной волны излучится при переходе электрона, например, с 98 на 73 энергетический уровень.

(30)

(31)

При переходе электрона с 70 на 59 энергетический уровень излучится фотон с аналогичной длиной волны.

(32)

(33)

Приведем ещё один пример. Пусть электрон переходит с 49 на 45 энергетический уровень. Энергия фотона, который он излучит при этом, равна

(34)

Длина волны также близка к максимуму реликтового излучения (рис. 4, точки 3 и А).

 (35)

Мы описали статистику формирования закономерности реликтового излучения и его максимума и видим, что форма этого излучения не имеет никаких признаков «замороженности» после так называемой эпохи рекомбинации водорода, которую придумали астрофизики.

Пойдём дальше. Если электрон перейдёт со 105 энергетического уровня на 60 уровень, то он излучит фотон с энергией и длиной волны , что соответствует интервалу между точками 1 и 2 на рис. 4. При переходе электрона с 15 энергетического уровня на 14 он излучит фотон с энергией и длиной волны , что соответствует точке 1 на рис. 4, которая отстоит от соответствующей теоретической точки тонкой кривой на много порядков (Приложение-1). Это вызывает серьёзные сомнения в корректности заключения о том, что формула Планка описывает всю форму экспериментальной зависимости реликтового излучения.

Поскольку от 15 до, примерно, 2 энергетического уровня (Приложение-1) количество уровней значительно меньше количества уровней от 108 до 15, то количество фотонов, излученных при переходе с 15 уровня и ниже будет значительно меньше количества (а значит и их плотность в пространстве) фотонов, излученных при переходе со 108 до 15 энергетического уровня. Это - главная причина существования максимума реликтового излучения (рис. 4, т. А) и уменьшения его интенсивности с уменьшением длины волны излучения.

К этому следует добавить, что в момент перехода электрона с 15-го уровня и ниже излучаются фотоны светового диапазона.

Например, при переходе электрона с 15-го на 2-ой энергетический уровень излучается фотон с энергией и длиной волны, соответствующей световому диапазону (Приложение-1)

. (36)

Естественно, что после формирования атомов водорода наступает фаза формирования молекул водорода, которая также должна иметь максимум излучения. Поиск этого максимума - наша следующая задача.

Известно, что атомарный водород переходит в молекулярный в интервале температур . Длины волн фотонов, излучаемых электронами атомов водорода при формировании его молекулы, будут изменяться в интервале

; (37)

. (38)

Таким образом, у нас есть основания полагать, что максимум излучения Вселенной, соответствующий точке С (рис. 4), формируется фотонами, излучаемыми электронами при синтезе молекул водорода.

Однако на этом не заканчиваются процессы фазовых переходов водорода. Его молекулы, удаляясь от звезд, проходят зону последовательного понижения температуры, минимальная величина которой равна Т=2,726 К. Из этого следует, что молекулы водорода проходят зону температур, при которой они сжижаются. Она известна и равна . Поэтому есть основания полагать, что должен существовать ещё один максимум излучения Вселенной, соответствующий этой температуре. Длина волны фотонов, формирующих этот максимум, равна

. (39)

Этот результат почти полностью совпадает с максимумом в точке на рис. 4. Спектр излучения Вселенной формируется процессами синтеза атомов и молекул водорода, а также - сжижения молекул водорода. Эти процессы идут непрерывно и не имеют никакого отношения к так называемому Большому взрыву.

Физический смысл тепла и температуры.

Понятия тепло и температура относятся к числу фундаментальных научных понятий. Они широко используются в научных исследованиях, инженерной практике и обыденной жизни. Однако физический смысл этих понятий до сих пор остаётся таинственным. Происходит это потому, что элементарный носитель тепловой энергии - фотон (рис. 2) существует в рамках Аксиомы Единства, а теоретики пытаются выявить его электромагнитную структуру и описать его поведение при формировании тепла и температуры с помощью теорий, работающих за рамками этой аксиомы [1].

В соответствии с теорией, работающей в рамках Аксиомы Единства, радиус вращения магнитной структуры фотона (рис. 2), изменяясь в диапазоне , остаётся равным длине волны , которую описывает его центр масс. Сейчас мы увидим, что изменение температуры среды - следствие изменения длины волны большинства фотонов в этой среде (рис. 1) и станет ясно, что тепло и температуру формирует наибольшее количество фотонов (рис. 2) с определенной длиной волны (рис. 1) [3].

На рис. 1 представлена зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от длины волны излучения при разных температурах. Известно, что зависимость изменения максимума излучения черного тела от температуры и длины волны описывается законом Вина (15). Этот закон позволяет определить длину волны излучения (фотона), соответствующую максимуму излучения при любой температуре не только в полости абсолютно черного тела, но в полости всей Вселенной (рис. 4).

, (40)

где - постоянная Вина.

Допустим, термометр показывает . Длина волны максимального количества (плотности в единице объёма пространства вблизи термометра) фотонов, формирующих эту температуру, будет равна

. (41)

Длина волны фотонов, совокупность которых формирует температуру , будет равна

. (42)

Энергии фотонов, формирующих температуры и будут соответственно равны:

; (43)

. (44)

Тогда разность энергий фотонов, при которой изменяется температура на , окажется такой

. (45)

Если термометр показывает , то максимальное количество фотонов в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (46)

При повышении температуры до максимальное количество фотонов в единице объёма в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (47)

Когда термометр показывает , то максимальное количество фотонов в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (48)

Длина волны фотонов, формирующих температуру , равна

. (49)

Поскольку это длины волн невидимых инфракрасных фотонов, то создаётся ощущение ошибочности результата, так как тела с такой температурой излучают световые фотоны.

Однако, надо учитывать, что формула Вина даёт длину волны максимальной плотности фотонов, формирующих такую температуру.

Это значит, что присутствие световых фотонов не исключается, что мы и наблюдаем в действительности, но температуру, равную , формирует максимальная совокупность инфракрасных фотонов с длиной волны .

Когда температура в полости черного тела повышается до 1500С, то длина волны фотонов, формирующих максимальную их плотность в полости черного тела, уменьшается (рис. 1)

. (50)

При температуре в полости черного тела, равной (рис. 1)

. (51)

Таким образом, температуру среды в интервале формируют фотоны инфракрасного диапазона (табл. 1).

С увеличением температуры длина волны фотонов, формирующих её, уменьшается.

Итак, температура, которую показывает термометр, формируется максимальной плотностью фотонов, длина волны которых определяется по формуле (15) Вина.

А теперь обратим внимание на то, как формирование температуры связано с энергетическими переходами электронов в атомах.

Например, при переходе электрона атома водорода (Приложение 1) с 4-го на 3-й энергетический уровень излучается фотон с энергией

(52)

и длиной волны

. (53)

Если бы фотоны с длиной волны формировали температуру, то она была бы равна

. (54)

При переходе электрона с 3-го на 2-й энергетический уровень излучается фотон с энергией

(55)

и длиной волны

(56)

Это уже световой фотон (табл. 1).

Если максимальное количество фотонов в среде будет с длиной волны , то они сформируют температуру

. (57)

Таким образом, разность длин волн фотонов, рождаемых электроном атома водорода при переходе с 4-го на 3-й и с 3-го на 2-й энергетические уровни, равна

. (58)

Разность температур, формируемых этими фотонами, равна

. (59)

Из этого следует, что атомы водорода, да и атомы других химических элементов, не могут формировать плавное изменение температуры среды. Эту функцию могут выполнить только молекулы. Чтобы понять, как они это делают, обратим внимание на плавное изменение яркости зоны слева осциллограммы атома водорода (рис. 5). Плавное изменение яркости формируется плавно меняющимися длинами волн фотонов, излучаемых при синтезе молекул водорода.

Молекулы других химических элементов формируют густо расположенные спектральные линии, так называемые полосатые спектры. Это свидетельствует о дискретных энергетических переходах валентных электронов таких молекул.

Таким образом, плавное изменение температуры среды обеспечивают молекулы, но не атомы химических элементов.



Рис. 5. Спектр атома водорода: 2-й () и 3-й () стационарные энергетические уровни электрона

Известно, что энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436 кДж, а одной молекулы - 4,53eV. Энергию эту выделяют электроны атомов в виде фотонов. Каждый электрон излучает фотон с энергией 4,53/2=2,26eV.

Так как электроны излучают фотоны, то при формировании молекулы водорода каждый электрон должен излучить один фотон с энергией 2,26eV. Возникает вопрос: на каких энергетических уровнях должны находиться электроны в атомах водорода перед тем, как начнут объединяться в молекулы?

Молекулярный спектр водорода в виде сплошной светлой зоны (рис. 5) свидетельствует о том, что электроны в составе молекулы не занимают дискретные энергетические уровни, как они это делают, когда находятся в составе атомов.

В молекулах их энергии связи с протонами и друг с другом изменяются так, что их величины оказываются равными межуровневым величинам энергий связи, соответствующих атомарному состоянию.

Когда электрон находится на третьем энергетическом уровне в атоме водорода, то его энергия связи с протоном равна 1,51eV, а когда на втором, то - 3,40eV. Чтобы излучить фотоны с энергиями 2,26eV при формировании молекулы и оказаться между вторым (с энергией связи 3,40eV) и третьим (с энергией связи 1,51eV) энергетическими уровнями, электрон должен перейти с 4-го на (примерно) 2-й энергетический уровень.

В этом случае он излучит фотон с энергией (табл. 3).

. (60)

Однако, средняя величина энергий всей совокупности излученных фотонов становится равной 2,26 eV и электрон оказывается между вторым и третьим энергетическими уровнями, соответствующими атомарному состоянию [1], [2].

Таблица 3. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном и расстояния между ними

Знач.	n	2	3	4	5
(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05
(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054
(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54
(теор)		4,23	9,54	16,94	26,67

Конечно, если бы все электроны атомов водорода при формировании молекул излучали фотоны с одной и той же энергией, то в молекулярном спектре появилась бы одна спектральная линия между атомарными линиями, соответствующими второму и третьему энергетическим уровням. Отсутствие этой линии и наличие светлой зоны (рис. 5, слева) указывает на то, что электроны атомов водорода, переходя с разных энергетических уровней при формировании молекул водорода, излучают фотоны с разными энергиями так, что их средняя величина оказывается равной 2,26eV. Это, видимо, естественно, так как процесс этот идет не при одной какой-то температуре, а в интервале температур.

Однако, следует отметить ещё раз, что некоторые молекулы формируют так называемые полосатые спектры, у которых вместо сплошной светлой зоны - густо расположенные спектральные линии.

Теперь мы можем описать процесс изменения температуры. Представим, что перед нами ртутный или спиртовой термометры. Они показывают температуру . Это значит, что максимальное количество фотонов в среде, где расположены термометры, имеет длину волны (46). Молекулы ртути и спирта, также как и молекулы всех тел, жидкостей и газов в зоне термометров поглощают и излучают эти фотоны.

Если термометры будут показывать , то это будет означать, что в среде, где они расположены, максимальное количество фотонов имеет другую длину волны, а именно

. (61)

Теперь в среде, где расположены термометры, больше фотонов с меньшей длиной волны. Электроны молекул ртути и спирта начинают поглощать и излучать фотоны с длиной волны . Если количество этих фотонов в среде, где расположены термометры, будет постоянно, то температура среды не изменится. Если же количество этих фотонов уменьшится, а количество фотонов с меньшей длиной волны увеличится, то термометры начнут показывать большую температуру.

Допустим, что температура увеличилась до и стабилизировалась. Это значит, что в среде, где расположены термометры, максимальное количество фотонов имеет длину волны (47). Если температура повысится до , то это будет означать, что максимальное количество фотонов, где расположены термометры, имеет длину волны (48).

Вполне естественно, что молекулы всех тел, жидкостей и газов, расположенных в зоне термометров и имеющих аналогичную температуру, будут вести себя, как и молекулы ртути и спирта в термометрах. Они будут поглощать и излучать фотоны, которых больше в среде, где они расположены.

Из изложенного вытекают очень важные следствия, связанные с массой горячих и холодных молекул. Поскольку фотон обладает массой, то электрон, находясь в молекуле и излучая фотоны при охлаждении молекулы, уменьшает свою массу, а значит и массу молекулы. Таким образом, холодные молекулы имеют массу меньше, чем горячие. Этот факт должен проявляться в Природе, и он проявляется под действием законов механики.

Горячие молекулы газов атмосферы, имея большую массу, опускаются под действием силы тяжести к поверхности Земли, а холодные, имея меньшую массу (но не объёмную плотность), оказываются в верхних слоях атмосферы.

Далее, если смесь горячих и холодных молекул воздуха вращается в трубе, то под действием центробежной силы инерции более тяжелые горячие молекулы оказываются вблизи внутренней поверхности трубы, а холодные молекулы, с меньшей массой, располагаются ближе к оси трубы. Этот эффект четко проявляется в вихревых трубах и широко используется в промышленности.

Таким образом, температура среды и тел изменяется благодаря тому, что их молекулы излучают и поглощают фотоны среды непрерывно. Постоянство температуры обеспечивается большинством фотонов, соответствующих этой температуре в среде, где она измеряется.

Изменение длины волны этого большинства изменяет температуру среды. Длина волны большинства фотонов определяется по формуле (15) Вина.

Чтобы получить формулу для определения температуры любого космического тела, запишем формулу Вина для двух разных температур:

, (62)

. (63)

Далее имеем:

,

Или

(64)

И

. (65)

Приравнивая (64) и (65), найдем

(66)

Или

. (67)

Таким образом, произведение длин волн фотонов на температуры , которые они формируют, - величина постоянная и равная Это - седьмая константа, управляющая поведением фотонов. Назовём её константой равновесия температур.

Формула (66) означает, что если температуру формируют фотоны с длиной волны , то чтобы получить температуру , необходимо сформировать среду с большинством таких фотонов , при которых .

Например, возьмём температуру болометра телескопа Хаббла, выведенного в космос. Она равна . Её формирует совокупность фотонов с длинами волн (21). Предположим, что указанный телескоп зафиксировал, что максимум излучения с определённой звезды имеет длину волны, равную . Закон (66) формирования температур даёт нам такую величину температуры на поверхности исследуемой звезды

. (68)

Итак, температура на поверхности исследуемой звезды 29399,61К. Это значительно больше, чем на поверхности нашего Солнца и мы уверенно можем полагать, что исследуемая звезда моложе Солнца.

Теперь предположим, что телескоп Хаббла зафиксировал максимум излучения с космического объекта (астероида, например) с длиной волны . Учитывая, что , температура на поверхности этого космического объекта будет равна

. (69)

Описанный метод измерения температуры космических тел широко используется астрофизиками. Теперь они глубже будут понимать физическую суть этого процесса.

Мы уже показали, что максимальная длина волны фотона равна . Совокупность фотонов с такой длиной волны формирует минимальную температуру

. (70)

Встаёт вопрос о длине волны фотонов, совокупность которых формирует максимальную температуру. Современная наука не имеет точного ответа на этот вопрос. Мы можем только предполагать, что температуру формируют лишь те фотоны, которые излучаются электронами при синтезе атомов и молекул.

Граница минимальной длины волны таких фотонов ещё не установлена. Можно предполагать, что она находится в диапазонах ультрафиолетового или рентгеновского излучений.

Поскольку гамма фотоны и рентгеновские фотоны с минимальной длиной волны излучаются не электронами, а протонами при синтезе ядер атомов, то у нас есть основания полагать, что совокупность гамма фотонов и рентгеновских фотонов с минимальной длиной волны не участвует в формировании температуры окружающей среды.

Если бы гамма фотоны участвовали в формировании температуры окружающей среды, то максимально возможная температура была бы равна

. (71)

Если в Природе существует такая температура, то она разрушает не только молекулы и атомы, но и ядра атомов.

Температурное равновесие Вселенной управляется законом равновесия температур (66). Он гласит: произведение температур и длин волн или радиусов фотонов, формирующих температуру в любых двух точках пространства, - величина постоянная и равная Вот его математическая модель

. (72)

А теперь посмотрим как в этой модели реализуется Второе начало термодинамики макромира. Согласно этому началу тепло не может перетекать самопроизвольно от холодного тела к нагретому. Поскольку тепло и температуру формирует наибольшая совокупность фотонов, имеющих одинаковые радиусы (рис. 2), то выравнивание температур в двух точках пространства () означает, что равные температуры формируют фотоны с равными радиусами (). Из этого следует такая запись математической модели закона формирования температур в этих точках

. (73)

Физически это означает, что одинаковую температуру в двух точках пространства формирует максимальная совокупность фотонов с равными радиусами, Что полностью согласуется со Вторым началом термодинамики макромира, исключающим повышение тепла в точке пространства за счёт теплых фотонов, самопроизвольно переходящих из другой точки с меньшей температурой. Например, если в точке 1 температура выше, чем в точке 2, то температура в точке 1 не может повысится за счёт перетекания из точки 2 теплых фотонов (рис. 2), которые, конечно, имеются в её зоне, но их там меньшинство и они не формируют температуру в этой точке. Поскольку существует процесс рассеивания фотонов, то это формирует автоматическое стремление системы к минимуму температур, поэтому из точки 2, в точку 1 могут перейти только те фотоны, которых в её зоне большинство. Поскольку в точке 2 температура ниже, чем в точке 1, то из точки 2 в точку 1 могут самопроизвольно перейти только те фотоны, которые формируют её температуру, а она ниже, чем в точке 1, поэтому приход фотонов из точки 2 в точку 1 приведёт только к снижению температуры в зоне точки 1.

Надо также иметь в виду, что согласно эффекту Комптона, родившийся фотон может только увеличивать свою длину волны или радиус и таким образом уменьшать свою энергию. Обратный процесс не зафиксирован экспериментально. Это значит, что «Второе начало термодинамики соответствует реальности.

Таким образом, из начал Термодинамики микромира следуют ясные и точные физические смыслы понятий температура и тепло. Носителями тепла являются фотоны, а максимальная совокупность фотонов с одинаковыми параметрами в данной области пространства формирует температуру в этой области [1], [2].

Температура плазмы.

Плазма - особое состояние материи. Современные знания о плазме представляют собой, образно говоря, кашу. Попытаемся сформировать более чёткие представления о главном параметре плазмы - её температуре.

Начнём с учебника по физике [4], [5]. Плазма - сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положительных ионов. Горячая плазма имеет температуру , а холодная .

Далее, учебник просвещает нас о том, что все звёзды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвёздная среда - тоже плазма.

Интересное дело, температура межзвездной среды около 3 град. Кельвина, что явно противоречит исходному определению понятий горячая и холодная плазма. Как быть? Давать новое определение понятию плазма? Попытаемся.

Плазма - электронно-ионное состояние вещества, непрерывно излучающего и поглощающего фотоны, соответствующие температуре этого вещества. Такое определение снимает температурное ограничение и облегчает формирование представлений о физической сути плазмы.

В соответствии с законом Вина (15), температуру в любой точке пространства формирует максимальная совокупность фотонов с определённой длиной волны или радиусом.

Радиусы фотонов (длины волн), совокупности которых формируют температуры и , представлены в формулах (41) и (42), а их энергии - в формулах (43) и (44).

Радиусы фотонов (длины волн), совокупности которых формируют температуры 100 и 1000 град. Цельсия, представлены в формулах (48) и (49).

Поскольку это радиусы (длины волн) невидимых инфракрасных фотонов, то создаётся впечатление ошибочности результата расчёта, так как тела с температурой излучают световые фотоны. Однако, надо учитывать, что формула Вина даёт радиус (длину волны) максимальной плотности фотонов, формирующих такую температуру. Это значит, что присутствие световых фотонов не исключается, что мы и наблюдаем в действительности, но температуру, равную , формирует максимальная совокупность инфракрасных фотонов с радиусом (длиной волны) . Фотонов с другими радиусами меньше в зоне с такой температурой.

...