Годовое изменение параметров Земли 11 страница



получить которую приемами классической физики не удавалось до сих пор. Эта формула как указано в работе [132], хорошо подтверждается экспериментами по рас­сеянию света кристалла при низких температурах. С точки зрения новой термодинамики это вполне объяс­нимо, поскольку для твердых веществ при низких тем­пературах ср = cv и, следовательно, γ ≈1, благодаря чему формула (5.79) в пределе превращается в формулу кван­товой механики.

И вновь, как и в случае молекулярно-кинетической теории, для корпускулярно-волновой теории оказыва­ются справедливыми уравнения (5.11), (5.12). Связь ме­жду этими двумя теориями микромира устанавливается посредством соотношения:

П = αkТ = ħω = р/п = ...,                                (5,83) 

которое может быть получено с помощью формул (5.66) и (5.79) с учетом (5.7). Отсюда, с учетом формулы (5.63), следует, что фактор сжимаемости вещества ра­вен:

α= ħω/kТ = ln ( W ) = р/пkТ = f ( p , T ) =…        (5.84)

Интересно отметить, что конструкция вида ħω/ kT до­вольно часто встречается в физике. Достаточно хотя бы напомнить формулу Планка для излучения абсолютно черного тела [132], содержащую этот комплекс.

Учитывая полученные уравнения, энтропию микро­частицы можно выразить также следующими соотноше­ниями:

S = ħω/T= kln(W) = αk = p/nT = f(p,T) = ... .  (5.85) 

Из анализа термодинамики и механики микрочастиц видно, что параметр γ играет в этих теориях чрезвы­чайно важную роль как регулируемый параметр. В свя­зи с этим не будет лишним напомнить, что в физике твердого тела при определении энергии кулоновского притяжения на одну ионную пару с 1910 г. пользуются понятием постоянной Маделунга [133], которая, по-видимому, есть не что иное, как параметр γ = f2(е,φ), приведенный к виду γт = 1+ е.

Как уже отмечалось, термодинамические значения этого параметра, определяемого как γ = c р / cv = 2Е/П = f(p , T), согласно справочным данным [126], также всегда превышают единицу. Это возможно только в том случае, если считать, что для любых веществ, находящихся в определенных фазовых состояниях, этот параметр равен γт = 1 + е, где е > 0. Это означает, что термодинамиче­ский параметр γследует рассматривать как средне­статистическую (то есть наиболее вероятную) вели­чину, которая характеризует собой волновой адиа­батный процесс распространения тепловой энергии при максимально достижимых скоростях распростра­нения теплового энергетического воздействия. Напри­мер, для звуковой волны, распространяющейся в воздухепри t = 20°С (γ = 1,4; α= 1; μ = 29 кг/моль) скорость звука равна:

w = √(γαRT) = 346 м/с.

Это означает, что при γ = 1,4 основная масса молекул воздуха в звуковой волне совершает эллиптические движения со среднестатистическим эксцентрисите­том е = 0.4, определяющим форму звуковой волны. Тер­модинамический и механический параметры γ в дейст­вительности оказались тождественно одинаковыми и поэтому могут описываться одними и теми же вы­ражениями (А), (В), (С). Применительно к макро- и микро миру параметр γ является не только простран­ственно-временным параметром, но также парамет­ром, учитывающим протонно-электронное строение вещества различного химического состава на любых его энергетических уровнях.

Отсутствие же параметров α и γ вдействующих молекулярно-кинетической и корпускулярно-волновой тео­риях постоянно приводило к существенным погрешно­стям в описании природных взаимодействий на микроуровне строения вещества и, кроме того (что осо­бенно досадно), не позволяло до сих пор сколько-нибудь осмысленно применить искусственные приемы управ­ления такими взаимодействиями.

Из анализа и синтеза законов термодинамики и меха­ники (в том числе и для микрочастиц) следует весьма важный общий вывод, различные природные взаимо­действия пространст-венно-временной сущности все­гда сопровождаются механическими явлениями. По­этому новая (русская А.Ч.) механика и новая термодинамика по существу представляют собой еди­ную термомеханическую теорию. Эта теория, как ока­залось, способна описывать любые природные процес­сы на макро- и микроуровнях строения материи с учетом физико-химических свойств и химических пре­вращений веществ, участвующих в рассматриваемых взаимодействиях. Природа, таким образом, представ­ляет собой единую гигантскую термомеханическую систему (ТМС), подчиняющуюся законам термомеха­нической теории. При этом аналитические законы этой теории определяют качественную, а экспери­ментальные — количественную стороны природных взаимодействий. В этом, в конечном счете, и заключает­ся единство теории и практики в естествознании.

 

5.5. Обобщенная теория взаимодействий

одиноч­ных макро- и микротел

с окружающей средой

 

Существование тождеств механики и термодинамики позволяет записать систему интегральных законов, описывающих любые i-е типы природных взаимо­действий одиночных макро- и микротел с окружающей средой (механические, тепловые, электромагнитные, химические, гравитационные) во взаимосвязи этих взаимодействий друг с другом в виде:

К= mw = Ft :

L = [r , K] = [r , mw] = [r , Ft] = Mt ,                             (D)

W = E ± П= ( γ ±2) П /2 = (γ±2)E/2= const.

Здесь К – импульс; т– масса тела; w – скорость; F – внешние силы: t – время; L – момент импульса; М = [r , F]– момент внешних сил; r – радиус-вектор центра массы тела в пространстве; W – полная энергия тела; Е – кинетическая энергия тела; П – потенциальная энер­гия тела, γ = 2E / U = c р / cv = (1 + 2ecosφ + е2)/(1 + ecos φ) = f 2 ( e ,φ) = f3( r , t ) = f ( p , T ) – безразмерный пространст­венно-временной параметр, учитывающий волновой ха­рактер актер учитывающий волновой ха­
распространения различных видов энергий в пространстве. Пределы изменения этого параметра со­ставляют 0< γ < , причем для замкнутых эллиптиче­ских траекторий 0 < γ < 2(W < 0); для разомкнутых па­раболических траекторий γ = 2(W = 0); для разомкнутых гиперболических траекторий γ = 2(W > 0). В формулу параметра γ входят следующие обозначения; ср, cv
удельные теплоемкости тела при р = const , V = const , e –эксцентриситет траектории; φ – полярный угол радиу­са-вектора тела: р – давление: Т – абсолютная темпе­ратура.

Первые два закона системы (D) описывают поступа­тельное и вращательное движение макро- или микротела в различных энергетических полях. Третий закон опре­деляет баланс энергии, образующейся при i-том взаимо­действии.

Термин «обобщенный» означает, что в силу существо­ вания принципа подобия процессов распространения различных видов энергии в пространстве любое из при­ родных взаимодействий может быть описано одними и теми же соотношениями, но при использовании пара­ метров, соответствующих конкретному типу взаимо­ действия. Это означает, в частности, что каждое из природных взаимодействий происходит в собствен­ ных пространственно-временных рамках и должно учитывать только те параметры, которые только ему и присущи. Таким образом, вид входящих в систему законов (D) формул для сил F и потенциальной энергии П определяется типом описываемого взаимодействия. В качестве таких формул могут использоваться:

для теплового взаимодействия:

П = pV = T Ѕ = Nt ;

для химического взаимодействия:

П = р V + Σμini = TS + Σμini  = Nt + Σμini ,;

для электрического взаимодействия:

F = ± g 1 g 2rс /4πε о r с 2 rc ; П = g 1 g 2 /4πεоεrс;

для магнитного взаимодействия:

Fm = ± g[w , B]; П m = grmw В;

для гравитационного взаимодействия:

Fg = – fMmrg / rgrg 2 ; П g = fMm / rg .

Кроме того, электрическое имагнитное взаимодейст­вия могут описываться с помощью известных из физики формул [35,125]:

Пе = EDV е /2 = εоεЕ2 V /2= φg = ...

Пm = В HVm /2= μ о μН2 Vm /2=...

В случае микрочастиц могут применяться формулы:

П = αkТ = ħω = р/п = ...,

и другие.

Совершенно очевидна возможность описания любого i-гoвзаимодействия как с помощью механических, так и с помощью термодинамических параметров состояния. Это связано с тем, что выражение потенциальной энер­гии i-го взаимодействия допускает многовариантные модификации. Например, желая с помощью системы за­конов (D) описать электрическое взаимодействие, мож­но формулу потенциальной энергии этого взаимодейст­вия выразить в видах:

Пе = g 1 g 2 /4πε о εrе = р e Ve = εоεЕ2 V е /2= φ g = αеkТ = T е S е = ħω e =

= mеw2е - iђVJl=...

Аналогично обстоит дело и с любым другим типом взаимодействия. По существу эта аналогия является следствием природной аналогии и выражается в исполь­зовании в теории метода обобщенных потенциалов и обобщенных координат.

В указанных формулах применены следующие обо­значения: р, V –давление, объем вещества; Т, S – абсо­лютная температура, энтропия: μi, niхимический по­тенциал, молекулярный состав химически реагирующих веществ: N , t – мощность, время: q , φ – электрический заряд, электрический потенциал; εо, ε – электрическая постоянная, относительная диэлектрическая проницае­мость вещества: μо, μ – магнитная постоянная, относи­тельная магнитная проницаемость вещества; r е , rm,  rg со­ответственно: расстояние между электрическими заря­дами, магнитными зарядами; центрами масс тел; w , В, Н – скорость, магнитная индукция, напряженность маг­нитного поля; E , D – напряженность электрического по­ля электрическая индукция; α = f ( p , T ) – фактор сжи­маемости вещества; k – постоянная Больцмана; ħ – постоянная Планка;  ω – круговая частота.

Ввиду векторного вида первых двух законов системы (D) закон для W следует записать для координатных всей х, у, z . В. случае же описания сложного взаимодействия необходимо учитывать, что результирующее воз­действие является суммой всех одиночных.

В дифференциальной форме записи система законов (D) принимает вид [56,83]:

dK/dt = d(mw)/dt = d(Ft)/dt = γF;

dL/dt = d[r,K]/dt = d[r,m,w]/dt = d[r,F,t]/dt = γM; (E)

dW/dt = d(γ ±2)П /2dt = d(γ ±2)E/γdt = 0.

Соответственно в дифференциальной форме долж­ ны использоваться указанные ранее выражения для потенциальной энергии, определяющие тип рассмат­риваемого энергетического взаимодействия. Таким об­разом, система законов (Е) автоматически включает в себя весь набор дифференциальных законов новой (не­химической и химической) термодинамики и новой ме­ ханики, полученных ранее.

Поскольку системы уравнений (D) и (Е) содержат со­отношения механики и термодинамики, то следует при­нять в обращение и единую систему понятийного ап­парата для них, так как только таким способом можно привести в полное соответствие понятия различных на­учных дисциплин, составляющих современное естество­знание. Учитывая то, что масса тела, фигурирующая в законах новой механики и новой термодинамики, явля­ется переменной величиной, представляется целесо­образным условиться считать любые физические вели­чины механики и термодинамики параметрами состо­яния вещества термомеханической системы. Это позволит кроме приобретения удобства от принятия единого понятийного аппарата всего естествознания, из­бежать проведения совершенно бесплодных, но посто­янно ведущихся физиками дискуссий, касающихся точ­ного определения таких совершенно неопределимых (в силу изменяемости их величин) понятий физики, как масса, время, сила, импульс и тому подобных.

На этом заканчивается построение физико-химиче­ских основ обобщенной теории взаимодействий оди­ ночных макро- и микротел с окружающей средой.

 


 

6. Электричество и кванты

 

6.1. Заряды и электрические взаимодействия

 

Способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать легкие предметы была замечена людьми в глубокой древности. Позже обнаружено, что данное свойство присуще и другим веществам. Притяжение, возникаю­щее при натирании тел, было названо Джилбертом электризацией, а состояние наэлектризованных тел — заряженным (заряженные тела те, на которых имеются свободные электрические заряды). Было найдено, что существует два рода зарядов — положительные и отри­цательные. К тому же выяснилось, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются и эти взаимодействия по структуре аналогичны закону притяжения И. Ньютона.

Так в науку вошло понятие «заряды» [134]:

«В настоя­щее время твердо установлено (?? – А.Ч.), что электри­ческие заряды существуют в природе в виде заряжен­ных частиц, которые мы считаем простейшими или элементарными. Элементарная отрицательно заражен­ная частица, с которой нам вронов одинаков и равен 1,6-приходится встречаться в электрических явлениях, получила название электрона. Заряд каждого из электронов одинаков и равен 1,6∙10-19 Кл. Масса электрона чрезвычайно мала и составляет всего около 10-30 кг».

Постулируется, что все электроны тождественны по своим свойствам, имеют одинаковую массу и заряд наименьшей величины. К другим свойствам электрона можно от­нести [135]:

• наличие у них наряду с корпускулярными свойст­вами (свойствами частиц) и квантовых свойств (дуа­лизм волна-частица);

• наличие внутреннего момента количества движения (спин);

• наличие магнитного момента;

• отсутствие пространственных размеров (их до сих пор не удалось замерить, а потому электрон полагают точкой);

• свойство квантуемости и сохранения заряда [в изо­лированной системе (?– А.Ч.)величина электрического за­ряда остается неизменной];

• электрон, как и все вещественные частицы, движет­ся в пространстве по инерции.

Таким образом, свойства электрона становятся тем фундаментом, который и составляет естественную базу квантовой механики, определяя механизм взаимодейст­вия элементарных частиц в соответствии с законом Ку­лона, имеющим вид:

F = e 1 e 2 / R 2 ,                                                       (6.1)

где е1, е2 – заряды электронов, R – расстояние между электронами.

На основе этого закона была разработана планетарная модель структуры атома, по которой электроны враща­лись на орбите вокруг ядра, как планеты Солнечной системы вокруг Солнца. Однако эта модель не могла быть принята даже как гипотеза, поскольку в соответст­вие с электродинамикой электрон, вращающийся на ор­бите, должен был постоянно излучать энергию, вра­щаться по спирали, приближаясь к ядру и за относительно короткий срок упасть на него. (Интерес­но, что аналогичным образом должны вести себя пла­ неты и спутники планет Солнечной системы, но на них данный закон не распространили.) Это можно пока­зать хотя бы на следующем примере.

Рассмотрим время существования электрона, вра­щающегося на орбите вокруг ядра-протона на расстоя­нии а [136]. Сила взаимодействия F этих зарядов е равна:

F = е22.

Приравняем произведение массы электрона т на ус­корение v 2 /а, получаем:

mv 2 / a = е22 ,

откуда:

v 2 = е2/та.

Полная энергия электрона Е:

Е = mv 2 /2– е2/а = – е2/2а,                              (6.2)

где е2– потенциальная энергия электрона.

Из (6.2) следует, что радиус орбиты электрона в атоме может быть произвольным (что можно считать явной аналогией с планетарными орбитами). Движение элек­трона, как полагают, позволяет рассматривать систему электрон-протон как диполь с моментом d = er (где r – радиус-вектор от протона к электрону), являющегося функцией времени, и потому система будет излучать электромагнитные волны. Интенсивность излучения J находится из уравнения:

J = 2d 2 / c 2 .

Поскольку d = er = ew , где w – ускорение электрона, то

J = 2e 2 w 2/3 c 3 .

Так как w = е2/та2 , имеем;

J = 2e 6 /3c 3 m 2 a 4 ,                                              (6.3)


Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 45; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ