Закон сохранения энергии Майера.



 

       Рассмотрим несколько конкретных примеров применения закона диссипации к различным процессам на уровне макро-, микро- и субмикромиров. Часть этих примеров, относящихся к макромиру, хорошо известна, однако она получила правильное толкование только в рамках общей теории. До этого общего закона диссипации не существовало, поэтому упомянутым примерам не придавали должного значения. Обсуждая конкретные примеры, особое внимание обратим на тонкости, которые при использовании закона диссипации не следует упускать из виду, чтобы не впасть в ошибку. Начнем с обсуждения закона сохранения энергии Майера.

       В 1842 г. Майер наблюдал превращение механической работы в работу трения, т.е. теплоту, на примере вращения мешалки, приводимой в движение падающим грузом, в воде калориметра. Примерно в это же время аналогичные опыты были поставлены Джоулем. Работа падающего груза сопоставлялась с повышением температуры воды, и таким образом был найден термический эквивалент работы. С этими опытами обычно связывается открытие закона сохранения энергии.

       Из предыдущего ясно, что Майер и Джоуль фактически открыли не закон сохранения энергии, а лишь опытным путем нащупали совершенно незнакомый им эффект диссипации. Могучая интуиция увела обоих ученых от идей диссипации, и они сделали обобщающий вывод об эквивалентности теплоты и работы. Однако из опытов Майера и Джоуля практически и нельзя было бы установить закон диссипации, так как механическая (гидродинамическая) форма движения не была ими расшифрована в деталях.

       Любопытно отметить, что Гельмгольц (1847) обобщил закон сохранения энергии на все формы движения материи, отправляясь преимущественно от опытных данных, касающихся проявления именно диссипативного эффекта. Таким образом, закон сохранения энергии обязан своим происхождением эффекту диссипации, т.е. в основе его открытия лежит недоразумение. Идеи сохранения оказались настолько важными, что они заслонили своеобразие (диссипативный характер) наблюдаемых процессов превращения, и принцип диссипации был сформулирован в качестве одного из главных законов природы лишь в 1956 г. в общей теории. Значительно ближе подошел Джоуль (а также Ленц) к закону диссипации при исследовании электрических явлений.

 

Закон Джоуля-Ленца.

 

       Тепловое действие электрического тока было открыто Джоулем в 1843 г. и Ленцем в 1844 г. С тех пор соответствующий закон носит название закона Джоуля-Ленца. Согласно этому закону, количество выделяющегося тепла (так называемая джоулева теплота)

                                           Qд = - D j I Y D t = - D j D Y дж                                      (486)

или (в дифференциальной форме)

                                           dQд = - d j d Y              дж,                                     (487)

где I Y - сила электрического тока, а;

D j - разность потенциалов на концах проводника, в;

D t - время, сек;

D Y - количество электрического заряда, протекающего через проводник, к.

       Выражение (487) широко используется для практических расчетов. Оно является частным случаем общего дифференциального уравнения (483) закона диссипации. Эта формула служит недвусмысленным намеком на существование общего принципа диссипации. Однако этот намек в свое время не был правильно понят.

 

Гидродинамические явления.

 

       При движении объема dV жидкости (или газа) по трубе совершается работа

                                           dQд = - dpdV        дж                                                  (488)

или (в конечных разностях)

                                           Qд = - Dр D V          дж.                                                 (489)

       Эту работу совершает жидкость, преодолевающая внутреннее сопротивление системы. Работа Qд трения превращается в теплоту, т.е. в процессе течения жидкости активность механической формы движения превращается в термическую, причем количественной мерой превращения является величина Qд. Формула типа (489) иногда применяется в гидродинамических расчетах для определения потерь энергии в трубопроводах, например, с целью нахождения потребной мощности вентилятора. Однако при использовании подобного рода формул надо иметь в виду определенные тонкости, чтобы избежать ошибок. Об этих тонкостях говорится в конце настоящего параграфа.

       Приведенные примеры исчерпывают известные случая использования закона диссипации на практике. Причем все они обычно рассматриваются в качестве иллюстрации к закону сохранения энергии. Им не принято придавать смысла закона диссипации. Все эти примеры относятся к макромиру. Принято считать, что в условиях микромира диссипация отсутствует.

 

Микро- и наномир.

 

       Всеобщий закон диссипации действует на любом уровне мироздания. При этом форма закона, выраженная уравнением (483), не изменяется при переходе с одного уровня на другой. Но способ применения закона сильно зависит от конкретных условий, особенно если сочетаются макро-, микро- и нанотела.

       Отличительная особенность микромира состоит в том, что термический заряд выделяется и поглощается в виде отдельных элементарных квантов – термонов. Энергия, которую уносит или приносит каждый такой термон, определяется температурой рассматриваемой системы (частицы). Суммарный эффект диссипации зависит от общего числа родившихся или поглощенных (уничтоженных) термонов.

       В качестве примера микроскопического процесса, сопровождаемого рождением термонов, можно привести аннигиляцию электрона-частицы и позитрона-частицы. Этот процесс характеризуется большой разностью потенциалов , поэтому эффект диссипации играет в нем важную роль.

       Известен также обратный процесс рождения пары частиц – электрона и позитрона – из фотонов. В этом процессе происходит уничтожение квантов термического заряда – термонов. За их счет скачкообразно возрастает активность электрической формы движения в условиях мира и антимира.

       Что касается наномира (субмикромир), то в нем эффекты диссипации проявляются крайне слабо (мало заметно). Это относится даже к процессам аннигиляции поля и антиполя. Соответствующие процессы происходят, например, в зоне встречи электрических нанозарядов и антинанозарядами, если взаимодействуют между собой положительный и отрицательный макроскопические или микроскопические электрические заряды.

       На факт существования эффектов диссипации в наномире указывают формулы (370), (407) и (409). Если бы при распространении нанозарядов трение (диссипация) отсутствовало бы, тогда проводимость Lнан была бы равна бесконечности и потенциал мгновенно принимал бы одно и то же постоянное значение Р0 во всех точках неограниченного пространства. Такая картина наблюдалась бы для любого источника – плоского, цилиндрического и сферического. Именно благодаря трению скорость распространения нанозарядов не бесконечно велика, а предельное распределение потенциала для цилиндрического и сферического источников соответствует кривым 2 и 3 на рис. 19. Этот вывод является единственным, который объясняет все наблюдаемые в экспериментах результаты.

 


Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 30;