Термодинамики микро и макромира

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 1842-1843 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.

Однако, в конце ХХ и начале XXI появилось достаточно много экспериментальных данных, которые поставили под сомнение достоверность указанного критерия. Например, японцы уже выпустили экспериментальный образец мини автомобиля, движущегося за счёт электричества, получаемого из воды, без каких - либо дополнительных затрат энергии. 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. 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 существующей формулировке и отрицает достоверность «Первого начала термодинамики» [1]. Однако указанный эффект оставался не выявленным, так как он реализуется только тогда, когда первичный источник электричества генерирует импульсы напряжения и тока с той же скважностью, с какой работает потребитель этих импульсов. Поскольку все первичные источники электричества, включая батареи, генерируют напряжение непрерывно, то энергетическая эффективность процесса нагревания воды оставалась не выявленной и нереализованной [1], [2].

Вторым специфическим понятием Термодинамики макромира является понятие «Второе начало термодинамики макромира». 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 причины, реализующие его в реальной действительности. Новая теория микромира усиливает достоверность и значимость «Второго начала термодинамики макромира».

В основе Термодинамики микромира лежит закон излучения абсолютно черного тела, открытый Максом Планком в начале ХХ века (рис. 1).

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

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)

. (1)

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

Впоследствии было установлено, что абсолютно черное тело излучает не электромагнитные волны, а фотоны, радиусы которых равны длинам их волн (рис. 2). В результате математическое выражение константы Планка принимает вид

(2)

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

С учетом физического смысла составляющих формулы Планка, физический смысл всей формулы (1) - статистическое распределение количества фотонов разных энергий в полости черного тела с температурой . Это позволило прояснить физический смысл закона Вина

. (3)

Рис. 2. Схема кольцевых магнитных полей фотона

Например, максимум температуры 2000С формирует совокупность фотонов (рис. 2) с радиусами (рис. 1)

. (4)

Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона и у нас сразу возникает возражение. Опыт подсказывает нам, что температуру 2000С формируют видимые фотоны светового диапазона. Это 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 . Но закон Вина (3) поправляет нас, доказывая, что мы находимся в среде фотонов, максимальная совокупность которых имеет радиусы (длины волн), равные

(5)

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) .

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

. (6)

Как видно (4 и 6), с уменьшением температуры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, увеличиваются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы, и это однозначно следует из спектра излучения Вселенной (рис. 3).

Теоретическая зависимость плотности излучения Вселенной (рис. 3 - тонкая линия) подобна зависимости плотности излучения абсолютно черного тела (рис. 1) описываемого формулой Планка (1).

Максимум излучения Вселенной зафиксирован при температуре (рис. 3, точка А). Длина волны фотонов, формирующих эту температуру, равна

 (7)

Это яркое доказательство того, что закон Вина справедлив не только для замкнутых систем, таких как абсолютно чёрное тело, но для абсолютно незамкнутых, таких, как Вселенная (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость плотности реликтового излучения Вселенной от длины волны: теоретическая - тонкая линия; экспериментальная - жирная линия

Чтобы найти источник максимума излучения Вселенной (рис. 3, точки А и 3), обратим внимание на то, что наблюдаемая нами Вселенная состоит из 73 процентов водорода, 24 процентов гелия и 3 процентов более тяжелых элементов. Это значит, что спектр Вселенной формируют фотоны, излучаемые рождающимися атомами водорода. Известно также, что рождение атомов водорода сопровождается процессом сближения электрона с протоном, в результате которого электрон излучает фотоны.

Совпадение теоретической величины длины волны (рис. 1, точка 3) с её экспериментальным значением (рис. 1, точка А), доказывает корректность использования формулы Вина (3) для анализа спектра излучения Вселенной.

Фотоны с длиной волны , обладают энергией

. (8)

Энергия соответствует энергии связи электрона с протоном в момент пребывания его на 108 энергетическом уровне. 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.

Естественно, что после формирования атомов водорода наступает фаза формирования молекул водорода, которая также должна иметь максимум излучения. Известно, что атомарный водород переходит в молекулярный в интервале температур .

Радиусы фотонов, излучаемых электронами атомов водорода при формировании его молекулы, будут изменяться в интервале:

; (9)

. (10)

Таким образом, у нас есть основания полагать, что максимум излучения Вселенной, соответствующий точке С (рис. 3), 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

. (11)

Этот результат почти полностью совпадает с максимумом в точке на рис. 3 и доказывает, что 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 [2].

Как видно (7, 9, 10, 11), формула Вина (3) справедлива не только для замкнутых систем, каким является полость абсолютно чёрного тела (рис. 4), но и для незамкнутых, подобных Вселенной.

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 оставался туманным до выявления модели фотона (рис. 2) и роли закона Вина в формировании максимумов излучений (рис. 1) и максимумов излучения Вселенной (точки А, В и С на рис. 3).

Рис. 4. Графическая модель абсолютно черного тела

Стало ясно, что температуру в любой точке пространства формирует совокупность фотонов (рис. 2) с определённым радиусом, равным длине волны. Энергия, заключённая в этой совокупности, и является тепловой энергией.

Таким образом, единичными носителями тепловой энергии являются фотоны (рис. 2), а их максимальная совокупность с определёнными радиусами формирует температуру и тепловую энергию в изучаемой области пространства.

Из этого сразу последовал закон формирования температур в любых двух точках пространства [1]. Он гласит: произведение радиусов (длин волн) максимальной совокупности фотонов в двух точках пространства на температуры в этих точках - величина постоянная. Математическая модель этого закона приняла такой вид [1]

. (12)

Формула (12) означает, что если температуру формируют фотоны с радиусами , 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 . Предположим, что указанный телескоп зафиксировал, что максимум излучения с определённой звезды имеет длину волны, равную . Закон (12) формирования температур даёт нам такую величину температуры на поверхности исследуемой звезды

. (13)

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.

А теперь посмотрим как в математической модели (12) реализуется Второе начало термодинамики макромира. Согласно этому началу тепло не может перетекать 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

. (14)

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, которые, конечно, имеются в её зоне (рис. 1), 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 макромира» 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], [3].

Следующим важным понятием Термодинамики макромира является понятие давление газов, формируемое их молекулами и кластерами. Оно широко используется в математических моделях Термодинамики макромира, которые позволяют рассчитывать различные термодинамические процессы. Возникает вопрос: участвуют ли другие обитатели микромира в формировании давления?

Обратим внимание на формирование треска при появлении электрической искры. Поскольку её формируют фотоны, то треск при их появлении - следствие увеличения давления воздуха в зоне действия электрической искры. Из этого следует, что фотоны участвуют в формировании давления в воздухе. Достоверность этого факта усиливают фотоны, рождающиеся при грозовых молниях. Раскаты грома многократно мощнее треска электрической искры. Это является следствием почти одновременного рождения неисчислимого количества световых фотонов, формирующих молнии.

Из этого следует вопрос: за счёт чего повышается давление в воздухе при одновременном излучении большого количества фотонов? Ответ элементарен. Фотоны излучают электроны, радиусы которых равны:

(15)

а средний радиус световых фотонов равен . Размер фотона, рождаемого электроном на пять порядков больше электрона, это и есть главная причина столь мощных грозовых раскатов в момент грозы. В этой причине и скрыто принципиальное отличие Термодинамики макромира от Термодинамики микромира. Давление газов - объектов макромира пропорционально их температуре, а давление, формируемое фотонами, обратно пропорционально температуре. В грозу нет в атмосфере температуры, подобной температуре пара в паровом котле, а давление, формируемое фотонами, многократно превышает давление нагретых газов и мощность громовых раскатов подтверждает это. Вполне естественно, что процессами формирования давления, обеспечивающего вылет пуль и снарядов, управляют законы термодинамики микромира, но не макромира, как считалось до сих пор. На этом мы останавливаем процесс сравнения Термодинамик макро - и микромира по известным причинам [1], [2], [3].

Первое начало термодинамики макромира имеет ограниченную область действия. Второе начало термодинамики макромира достоверно и заслуживает дальнейшего развития на основе новой научной информации о микромире.

Давление газов, согласно Термодинамики макромира, пропорционально температуре, а фотонное давление, согласно законов Термодинамики микромира, обратно пропорционально температуре [1].

Литература

термодинамический физический электромагнитный

1. Канарёв Ф.М. Термодинамика микромира. http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev Папка «Брошюры.

2. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. 10-е издание. http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev Папка «Монографии».

3. Канарёв Ф.М. Теоретические основы физхимии микромира. Учебник. 2008. http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev Папка «Учебники».

Размещено на Allbest.ru