ТЕРМОДИНАМИКА МИКРО И МАКРОМИРА

Вводная часть

Термодинамика макромира освоена давно и изучена основательно. Термодинамика микромира только разрабатывается. Их объединяют фундаментальные понятия тепло и температура, чёткий физический смысл которых появился лишь в начале рождения термодинамики микромира. В результате появилась возможность установить связь между термодинамиками макро – и микромира.

Поскольку основой любых макроскопических систем являются обитатели микромира, то термодинамика макромира должна иметь связь с термодинамикой микромира. Попытаемся установить эту связь.

Выявление особенностей Термодинамики микромира начнём с анализа закона излучения абсолютно Черного тела, открытого Максом Планком в начале ХХ века.

15.2. 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, то 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. 124).

Все началось с установления закона излучения абсолютно черного тела (рис. 124). Вывод математической модели этого закона (84), выполненный Максом Планком в начале ХХ века, базировался на понятиях и представлениях, которые, как считалось, противоречат законам классической физики. Требовалась научная проверка достоверности этого факта, но делать её было некому. Новая физика и новая химия были названы квантовыми.

Планк ввел в математическую модель своего закона излучения абсолютно черного тела (84) константу с размерностью механического действия, что явно противоречило представлениям о волновой природе электромагнитного излучения.

. (84)

Рис. 124. а) графическая модель абсолютно черного тела;

b) – зависимость плотности излучения абсолютно чёрного тела от длины волны, излучаемых фотонов

Чтобы получить математическую модель, которая описывала бы весь спектр (рис. 124, b) электромагнитного излучения абсолютно черного тела (рис. 124, а), Макс Планк постулировал, что излучение идет не непрерывно, а порциями так, что энергия каждой минимальной излученной порции с заданной частотой оказывается равной

. (85)

Здесь (86)

Как видно, константа Планка имеет явную механическую размерность момента импульса. Хорошо известно, что постоянством момента импульса управляет закон сохранения момента импульса и сразу становится ясной причина постоянства постоянной Планка.

Прежде всего, понятие «закон сохранения момента импульса» 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, действующий на такое тело, остаётся постоянным по величине и направлению.

Конечно, фотон не является твердым телом, которое только вращалось бы без перемещения в пространстве, но он имеет массу и у нас есть все основания полагать, что роль массы у фотона выполняет вращающаяся относительно оси магнитная субстанция, которая вращается и перемещается в пространстве со скоростью света С=300000км/c.

Из математической модели (86) 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 (86), постоянным.

Опишем повторно, как это изменение реализуется постоянной Планка (86) в модели фотона (рис. 125).

Рис. 125. Схема модели фотона с взаимодействием

6-ти его магнитных полей с центрами масс в точках

Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения момента импульса , то с увеличением массы фотона растет плотность его магнитных полей Е (рис. 125) и за счет этого увеличиваются магнитные силы , сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробежными силами инерции, действующими на центры масс этих полей (рис. 125). Это приводит к уменьшению радиуса фотона (рис. 125), который всегда равен длине волны , описываемой центром масс фотона. Но поскольку радиус в выражении постоянной Планка (86) возводится в квадрат, то для сохранения постоянства постоянной Планка (86) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого незначительное изменение массы фотона автоматически изменяет его радиус и частоту так, что момент импульса (постоянная Планка) остается постоянным (86).

Таким образом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру (рис. 125), меняют массу, частоту и радиус так, чтобы . То есть принципом этого изменения управляет закон сохранения момента импульса (86).

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 фотонов (38).

Таким образом, при увеличении массы фотона его радиус уменьшается и наоборот. Тогда, для сохранения постоянства константы Планка при уменьшении радиуса частота должна пропорционально увеличиваться. В результате их произведение остаётся постоянным и равным . При этом скорость центра масс фотона (рис. 125) изменяется в интервале длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной .

Таким образом, постоянством константы Планка управляет один из самых фундаментальных законов классической физики (а точнее - классической механики) - закон 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 закона излучения абсолютно черного тела (84) не даёт никаких оснований утверждать о неспособности классической физики описывать процесс излучения этого тела. Наоборот, самый фундаментальный закон классической физики - закон сохранения момента импульса (86) как раз и участвует в описании этого процесса.

Планковский закон (84) излучения абсолютно черного тела является законом классической физики и нет никакой нужды вводить новое научное понятие «Квантовая физика».

Обратим особое внимание на то, что в спектре излучения абсолютно чёрного тела (рис. 124, b) присутствуют фотоны (рис. 125) разных радиусов , а максимумы температур (2000 и 1500 град. С рис. 124, b) формирует совокупность фотонов с определёнными радиусами, величины которых достаточно точно определяет формула Вина

. (87)

Когда температура в полости черного тела (рис. 124, а) повышается до 1500 С, то длина волны фотонов, формирующих максимальную их плотность в полости черного тела (рис. 124, а), уменьшается

. (88)

При температуре в полости черного тела, равной (рис. 124, b), имеем

. (89)

Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона (рис. 125 и табл. 5) и у нас сразу возникает возражение. Опыт подсказывает нам, что температуру 2000 С 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. 5). Но закон Вина (87) поправляет нас, доказывая, что мы находимся в среде фотонов, максимальная совокупность которых имеет радиусы (длины волн) инфракрасных фотонов).

(90)

Как видно (рис. 124, b и формулы 88, 89), с увеличением температуры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, уменьшаются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы, и мы сейчас убедимся в этом (рис. 124, b).

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.

Возникает вопрос: участвуют ли другие обитатели микромира в формировании атмосферного давления? Обратим внимание на формирование треска при появлении электрической искры. Раскаты грома в грозу многократно мощнее треска электрической искры. Из этого следует вопрос: в чём физическая суть повышения давления в воздухе в момент рождения молнии? Ответ элементарен. Фотоны излучают электроны, радиусы которых равны

(91)

(92)

Средний радиус световых фотонов (табл. 3). Разница между размером электрона и рождаемого им светового фотона пять порядков ( ). Это и есть главная причина повышения давления воздуха и 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 (рис. 2).

Считалось, что формула Вина (87) справедлива только для замкнутых систем (рис. 124, а). Однако, Природа процесса излучения едина, поэтому должна быть связь между процессом излучения абсолютно чёрного тела (рис. 124, а) и процессом излучения Вселенной и мы не имеем права уклоняться от проверки достоверности этого факта с помощью закона Вина (87).

Спектр фонового 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.

Новая теория микромира позволяет просто объяснять физику и химию тех явлений и процессов перед которыми пасуют другие теории, переводя научные объяснения в статус научных сказок, если так можно сказать.

Итак, температура, которую показывает термометр, формируется максимальной плотностью фотонов, длина волны которых определяется по формуле Вина (87). Чтобы получить формулу для определения температуры любого космического тела, запишем формулу Вина для двух разных температур:

, (93)

. (94)

Далее имеем:

, (95)

или

(96)

(97)

. (98)

Приравнивая (95) и (97), найдем

(99)

или

. (100)

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 (100) 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 . Предположим, что указанный телескоп зафиксировал, что максимум излучения с определённой звезды имеет длину волны, равную . Закон (99 и 100) формирования температур даёт нам такую величину температуры на поверхности исследуемой звезды

. (101)

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

. (102)

Описанный метод измерения температуры космических тел видимо 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

. (103)

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

. (104)

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 (105). 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

. (105)

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 , то выравнивание температур в двух точках пространства ( ) означает то, что равные температуры формируют фотоны с равными радиусами ( ). Из этого следует такая запись математической модели закона формирования температур в этих точках

. (106)

Физически это означает, что одинаковую температуру в двух точках пространства формирует максимальная совокупность фотонов с равными радиусами, Это 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 повыситься за счёт перетекания из точки 2 теплых фотонов, которые, конечно, имеются в её зоне (рис. 126), 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.

Обратим особое внимание на то, что в спектре абсолютно чёрного тела присутствуют фотоны (рис. 124, b) разных радиусов , а максимумы температур (2000 и 1500 град. С, рис. 124, b) формирует совокупность фотонов с определёнными радиусами, величины которых, как мы уже показали, достаточно точно определяет формула Вина (87).

Такая научная точка зрения на формирование научной сути понятий «тепло» и «температура» разработана нами. Новая теория тепла и температуры позволила нам описать количественно причину аварии на СШГ и её последствия.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 448; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 21 22 23 24 252627 28 29 30 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!