Часть 2.
Температура, тепловые эффекты реакций
Что можно измерить с помощью калориметра?
Давайте посмотрим, как мы пришли к современному представлению о «температуре» и всё ли в этом нашем представле-нии в полном порядке, т.е., в полном согласии с опытами и экспериментами.
Так, средневековые философы придерживались удобной концепции о теплоте, как о «теплотворной материи». Теплотворная материя, как бы, передаётся от горячих тел к холодным при их контакте. Чем больше теплотворной материи в теле, тем выше температура тела. А что такое температура? А это как раз мера содержания теплотворной материи. Если теплотворная материя передаётся справа налево, то справа температура выше. И наоборот. Если же теплотворная материя не передаётся ни направо, ни налево, то температуры справа и слева одинаковые. Пусть понятия «теплотворная материя» и «температура» получались связаны логическим порочным кругом, зато в остальном всё было изумительно. Можно было даже делать практические выводы: чтобы нагреть тело, нужно добавить в него теплотворной материи – по сравнению с той, которая у него уже имеется. А для такого добавления требуется более нагретое тело, иначе теплотворная материя не передастся. На основе этих представлений делались работающие тепловые машины! Был даже сформулирован принцип неуничтожимости теплотворной материи, т.е., фактически, закон сохранения теплоты! Сегодня-то мы знаем, что теплота – это одна из форм энергии, а закон сохранения энергии не работает для какой-то одной из её форм. Этот закон работает для энергии в целом – с учётом того, что одни формы энергии могут превращаться в другие. Постепенно от теплотворной материи перешли к «теплороду» - эта та же теплотворная материя, но только невесомая. Ну и далее, к современному представлению о теплоте, как о форме «внутренней энергии» (некоторого внутреннего движения).
Давайте посмотрим, остались ли какие-нибудь средневековые архаизмы, присущие представлению о теплотворной материи, которые могли перекочевать на современное представление о теплоте?
Что такое за чудо-юдо эта ТЕМПЕРАТУРА? И как "передаётся" тепловая энергия от горячих тел к холодным?
В массе самых разных учебников и статей про - как заявлено в заголовках и «преамбулах» к ним – физический смысл температуры, частенько этим физическим смыслом и не пахнет. Например, рассуждают, что все живые существа воспринимают температуру интуитивно и банально шкурой её чувствуют, какие предметы теплее, а какие холоднее. Типа, температура – эта такая самоочевидная штуковина и так всем понятная. Далее могут уточнить, что, однако, точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов, которые называются термометрами. Ну и начинается пространный рассказ про градусы Цельсия, Кельвина и Форенгейта, кто и когда какие типы градусников впервые изготовил. Наверное, полезная информация, но как-то не очень густо с физическим смыслом то.
Но ищем далее. Температура – это макроскопический параметр, характеризующий состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру. Если температуры тел различны, то при их соприкосновении будет происходить обмен энергией. Тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.
В учебнике физики за 8 класс (А.В.Перышкин) читаем: «Температура находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.».
И вот ещё. Учебник физики для 10 класса под редакцией А.А.Пинского:
В §16. Температура и способы её измерения есть раздел «Температура как мера средней кинетической энергии молекул», где показывается, что Ek = (3/2)kT. Далее сообщается, «что, хотя температура тела измеряется с помощью макроскопического прибора – термометра и является поэтому макроскопическим параметром, она имеет в молекулярно-кинетической теории смысл микроскопического параметра. Именно: абсолютная температура является величиной, прямо пропорциональной средней кинетической энергии теплового движения молекул.».
Итак, современное понятие «температуры» - это мера внутренней энергии в теле. Чем больше внутренней энергии – тем выше температура тела. Пока мы видим, что средневековую «теплотворную материю» здесь заменили на современное «внутренняя энергия», но сам порочный круг остался!
Это мы вот о чём. Энергия – величина АДДИТИВНАЯ; соединяя два тела с энергиями Е, мы получаем объединённое тело с энергией 2Е. А температура – НЕ АДДИТИВНАЯ; соединяя два тела с температурами Т, мы получим объединённое тело с той же температурой Т.
Так, средневековые философы придерживались удобной концепции о теплоте, как о «теплотворной материи». Теплотворная материя, как бы, передаётся от горячих тел к холодным при их контакте. Чем больше теплотворной материи в теле, тем выше температура тела. А что такое температура? А это как раз мера содержания теплотворной материи. Если теплотворная материя передаётся справа налево, то справа температура выше. И наоборот. Если же теплотворная материя не передаётся ни направо, ни налево, то температуры справа и слева одинаковые. Пусть понятия «теплотворная материя» и «температура» получались связаны логическим порочным кругом, зато в остальном всё было изумительно. Можно было даже делать практические выводы: чтобы нагреть тело, нужно добавить в него теплотворной материи – по сравнению с той, которая у него уже имеется. А для такого добавления требуется более нагретое тело, иначе теплотворная материя не передастся. На основе этих представлений делались работающие тепловые машины! Был даже сформулирован принцип неуничтожимости теплотворной материи, т.е., фактически, закон сохранения теплоты! Сегодня-то мы знаем, что теплота – это одна из форм энергии, а закон сохранения энергии не работает для какой-то одной из её форм. Этот закон работает для энергии в целом – с учётом того, что одни формы энергии могут превращаться в другие. Постепенно от теплотворной материи перешли к «теплороду» - эта та же теплотворная материя, но только невесомая. Ну и далее, к современному представлению о теплоте, как о форме «внутренней энергии» (некоторого внутреннего движения).
Давайте посмотрим, остались ли какие-нибудь средневековые архаизмы, присущие представлению о теплотворной материи, которые могли перекочевать на современное представление о теплоте?
Что такое за чудо-юдо эта ТЕМПЕРАТУРА? И как "передаётся" тепловая энергия от горячих тел к холодным?
В массе самых разных учебников и статей про - как заявлено в заголовках и «преамбулах» к ним – физический смысл температуры, частенько этим физическим смыслом и не пахнет. Например, рассуждают, что все живые существа воспринимают температуру интуитивно и банально шкурой её чувствуют, какие предметы теплее, а какие холоднее. Типа, температура – эта такая самоочевидная штуковина и так всем понятная. Далее могут уточнить, что, однако, точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов, которые называются термометрами. Ну и начинается пространный рассказ про градусы Цельсия, Кельвина и Форенгейта, кто и когда какие типы градусников впервые изготовил. Наверное, полезная информация, но как-то не очень густо с физическим смыслом то.
Но ищем далее. Температура – это макроскопический параметр, характеризующий состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру. Если температуры тел различны, то при их соприкосновении будет происходить обмен энергией. Тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.
В учебнике физики за 8 класс (А.В.Перышкин) читаем: «Температура находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.».
И вот ещё. Учебник физики для 10 класса под редакцией А.А.Пинского:
В §16. Температура и способы её измерения есть раздел «Температура как мера средней кинетической энергии молекул», где показывается, что Ek = (3/2)kT. Далее сообщается, «что, хотя температура тела измеряется с помощью макроскопического прибора – термометра и является поэтому макроскопическим параметром, она имеет в молекулярно-кинетической теории смысл микроскопического параметра. Именно: абсолютная температура является величиной, прямо пропорциональной средней кинетической энергии теплового движения молекул.».
Итак, современное понятие «температуры» - это мера внутренней энергии в теле. Чем больше внутренней энергии – тем выше температура тела. Пока мы видим, что средневековую «теплотворную материю» здесь заменили на современное «внутренняя энергия», но сам порочный круг остался!
Это мы вот о чём. Энергия – величина АДДИТИВНАЯ; соединяя два тела с энергиями Е, мы получаем объединённое тело с энергией 2Е. А температура – НЕ АДДИТИВНАЯ; соединяя два тела с температурами Т, мы получим объединённое тело с той же температурой Т.
Т.е., не может не аддитивная величина температура быть мерой аддитивной величины энергии! Хотя иногда они могут быть пропорциональны друг другу.
Что в средние века придерживались положения, чтобы нагреть тело, нужно привести его в контакт с более горячим, иначе теплотворная материя не передаётся, что при нынешних представлениях о теплоте нам тоже предлагают привести в контакт горячее тело с холодном, но уже для перекачки в последнее части внутренней энергии от горячего. Как-то все обходят стороной и помалкивают про второй способ простого и возможного увеличения температуры (Внимание! Не употребляем термин «передачи тепловой энергии») различных тел.
Это радиационный нагрев. Так греет Солнышко, инфракрасный обогреватель, лазер (не только греет, но и плавит и испаряет обрабатываемое вещество). Это нагрев путём передачи гамма-квантов от горячего тела к холодному. При этом, попутно заметим, что нагрев любого тела будет происходит при поглощении гамма-квантов не обязательно из «теплового» диапазона – инфракрасного участка спектра излучения, но и из видимого спектра, из утра фиолетового, рентгеновского диапазонов и т.д. Т.е., поглощение телом гамма-квантов из любого их диапазона будет приводить к нагреву (повышению температуры) этого тела. Да и прямой контакт здесь не обязателен, вон до Солнышка аж 150 млн. км.
Прежде чем рассмотреть этот механизм нагрева, давайте вспомним, как на уровне строения атома происходит это самое испускание и поглощение квантов света (гамма-квантов). Атомарные электроны на своих орбитах, орбиталях или как там ещё их называют, имеют дискретный набор уровней возбуждения. См. рисунок.
Что в средние века придерживались положения, чтобы нагреть тело, нужно привести его в контакт с более горячим, иначе теплотворная материя не передаётся, что при нынешних представлениях о теплоте нам тоже предлагают привести в контакт горячее тело с холодном, но уже для перекачки в последнее части внутренней энергии от горячего. Как-то все обходят стороной и помалкивают про второй способ простого и возможного увеличения температуры (Внимание! Не употребляем термин «передачи тепловой энергии») различных тел.
Это радиационный нагрев. Так греет Солнышко, инфракрасный обогреватель, лазер (не только греет, но и плавит и испаряет обрабатываемое вещество). Это нагрев путём передачи гамма-квантов от горячего тела к холодному. При этом, попутно заметим, что нагрев любого тела будет происходит при поглощении гамма-квантов не обязательно из «теплового» диапазона – инфракрасного участка спектра излучения, но и из видимого спектра, из утра фиолетового, рентгеновского диапазонов и т.д. Т.е., поглощение телом гамма-квантов из любого их диапазона будет приводить к нагреву (повышению температуры) этого тела. Да и прямой контакт здесь не обязателен, вон до Солнышка аж 150 млн. км.
Прежде чем рассмотреть этот механизм нагрева, давайте вспомним, как на уровне строения атома происходит это самое испускание и поглощение квантов света (гамма-квантов). Атомарные электроны на своих орбитах, орбиталях или как там ещё их называют, имеют дискретный набор уровней возбуждения. См. рисунок.
Здесь схематически изображены уровни возбуждения в атоме водорода. На нижнем уровне (n=1) электрон находится в не возбуждённом состоянии, энергия этого уровня обозначена как 0 эВ. А верхний уровень – уровень ионизации – имеет энергию 13,6 эВ. (Иногда при рассмотрении спектров энергию верхнего уровня принимают за «ноль» и тогда энергия основного уровня становится отрицательной: - 13.6 эВ, но это не принципиально). Здесь важно лишь то, что атомарный электрон, приобретая некоторую энергию возбуждения, переходит с основного уровня на один из возможных дискретных энергетических уровней: на n=2 с энергией 10,2 эВ, на n=3 (12,1 эВ) и т.д. А если электрон атома водорода получит энергию возбуждения 13,6 эВ или более, то он потеряет связь с ядром (с протоном) и станет свободным электроном с той или иной кинетической энергией.
Ну и сам механизм испускания или поглощения кванта света (гамма-кванта) показан на рисунке ниже.
Ну и сам механизм испускания или поглощения кванта света (гамма-кванта) показан на рисунке ниже.
На этом рисунке обратим внимание на следующее обстоятельство, при переходе атомарного электрона на нижние уровни атом излучает квант света с энергией равной разности энергий на этих двух уровнях. А при поглощении кванта света с некоторой энергией атомарный электрон переходит на какой-то из выше лежащих уровней возбуждения.
((( В этом месте можно сделать небольшое отступление в сторону одного из базовых положений «квантовой механики». Последняя утверждает, что свет излучается и поглощается исключительно порциями – квантами. А энергии этих квантов (испускаемых или поглощаемых) соответствуют разности энергий между уровнями возбуждения. Подчеркнём – это одно из БАЗОВЫХ положений квантовой механики. Покажем, что это излишне категоричное утверждение, опровержение которого будет подтачивать самые основы квантовой механики. См. на рисунок выше. Излучённый атомом квант (жёлтая волнистая линия) конечно имеет энергию равную разности энергий уровней возбуждения Е3 – Е2 = Екванта = hf, где h – постоянная Планка, а f – частота излучённого кванта света. С рассмотрением излучения тут как бы всё в порядке. Точнее, в полу порядке, известно, например, что спектр излучения любого тела СПЛОШНОЙ, а атом, получается, может излучать только ОПРЕДЕЛЁННЫЕ наборы частот. Короче, неувязочка с теорией! Теория про что-то своё лопочет, а эксперименты показывают соврем другую картину. А теперь рассмотрим акт ПОГЛОЩЕНИЯ атомом кванта света, на рисунке это изображено синей волнистой линией. Разность то энергий уровней возбуждения здесь будет равна Е2 – Е1 = Екванта, если это атом водорода, то она будет равна 10,2 эВ (см. 1-й рисунок). А теперь вопрос на засыпку: а ОТКУДА взялся и благополучно прилетел этот замечательный гамма-квант с конкретной энергией 10,2 эВ !!? Ведь эта конкретная величина энергии гамма-кванта (10,2 эВ) соответствует ТОЛЬКО разности энергий уровней n1 и n2 в атоме ВОДОРОДА. Ведь у всех других атомов и молекул СВОИ характерные дискретные уровни и совершенно невероятно, что разности энергий между уровнями у разных атомов или молекул случайно совпадут. Тогда из центрального догмата квантовой теории следует, что без специальных мер, сдвигающих или уширяющих квантовые уровни, излучённый атомом одного элемента квант не может быть поглощён атомом другого элемента. И что же выходит? «Универсальное взаимодействие» получается, работает «только для своих»! И нам ещё морочат головы про то, что лазеры появились благодаря квантовой теории?! Не «благодаря», любезные, а «вопреки»: в первых лазерах использовалась широкополосная накачка лампами-вспышками! А это прямое экспериментальное опровержение вашего, господа-товарищи ортодоксы, центрального догмата: резонансное излучение генерируется в результате поглощения нерезонансных квантов накачки, энергия которых больше энергии лазерного перехода! Или вот ещё: облучают вещество заведомо нерезонансным ультрафиолетом, и оно флуоресцировать начинает – на длине волны, в точности соответствующей разности энергии облучения и энергии ближайшего нижерасположенного квантового уровня в этом веществе! Т.е., реально, вопреки квантовой теории все атомы могут излучать и поглощать и НЕРЕЗОНАНСНЫЕ кванты. И так оно и есть! )))
Но отвлечёмся от этой некорректности теории в вопросе поглощения не резонансных квантов. Пусть нам повезло и к нашему атому прилетел резонансный квант с энергией в точности равной разности энергий между его какими-то уровнями. Давайте посмотрим на пертурбацию энергий в поглотившем квант атоме. См. рисунок.
((( В этом месте можно сделать небольшое отступление в сторону одного из базовых положений «квантовой механики». Последняя утверждает, что свет излучается и поглощается исключительно порциями – квантами. А энергии этих квантов (испускаемых или поглощаемых) соответствуют разности энергий между уровнями возбуждения. Подчеркнём – это одно из БАЗОВЫХ положений квантовой механики. Покажем, что это излишне категоричное утверждение, опровержение которого будет подтачивать самые основы квантовой механики. См. на рисунок выше. Излучённый атомом квант (жёлтая волнистая линия) конечно имеет энергию равную разности энергий уровней возбуждения Е3 – Е2 = Екванта = hf, где h – постоянная Планка, а f – частота излучённого кванта света. С рассмотрением излучения тут как бы всё в порядке. Точнее, в полу порядке, известно, например, что спектр излучения любого тела СПЛОШНОЙ, а атом, получается, может излучать только ОПРЕДЕЛЁННЫЕ наборы частот. Короче, неувязочка с теорией! Теория про что-то своё лопочет, а эксперименты показывают соврем другую картину. А теперь рассмотрим акт ПОГЛОЩЕНИЯ атомом кванта света, на рисунке это изображено синей волнистой линией. Разность то энергий уровней возбуждения здесь будет равна Е2 – Е1 = Екванта, если это атом водорода, то она будет равна 10,2 эВ (см. 1-й рисунок). А теперь вопрос на засыпку: а ОТКУДА взялся и благополучно прилетел этот замечательный гамма-квант с конкретной энергией 10,2 эВ !!? Ведь эта конкретная величина энергии гамма-кванта (10,2 эВ) соответствует ТОЛЬКО разности энергий уровней n1 и n2 в атоме ВОДОРОДА. Ведь у всех других атомов и молекул СВОИ характерные дискретные уровни и совершенно невероятно, что разности энергий между уровнями у разных атомов или молекул случайно совпадут. Тогда из центрального догмата квантовой теории следует, что без специальных мер, сдвигающих или уширяющих квантовые уровни, излучённый атомом одного элемента квант не может быть поглощён атомом другого элемента. И что же выходит? «Универсальное взаимодействие» получается, работает «только для своих»! И нам ещё морочат головы про то, что лазеры появились благодаря квантовой теории?! Не «благодаря», любезные, а «вопреки»: в первых лазерах использовалась широкополосная накачка лампами-вспышками! А это прямое экспериментальное опровержение вашего, господа-товарищи ортодоксы, центрального догмата: резонансное излучение генерируется в результате поглощения нерезонансных квантов накачки, энергия которых больше энергии лазерного перехода! Или вот ещё: облучают вещество заведомо нерезонансным ультрафиолетом, и оно флуоресцировать начинает – на длине волны, в точности соответствующей разности энергии облучения и энергии ближайшего нижерасположенного квантового уровня в этом веществе! Т.е., реально, вопреки квантовой теории все атомы могут излучать и поглощать и НЕРЕЗОНАНСНЫЕ кванты. И так оно и есть! )))
Но отвлечёмся от этой некорректности теории в вопросе поглощения не резонансных квантов. Пусть нам повезло и к нашему атому прилетел резонансный квант с энергией в точности равной разности энергий между его какими-то уровнями. Давайте посмотрим на пертурбацию энергий в поглотившем квант атоме. См. рисунок.
Предварительно отметим, находясь в не возбуждённом состоянии (уровень Е1) электрон имеет нулевую энергию возбуждения Евозбужд. = 0 и максимальную энергию связи Есвязи = Еиониз электрона с ядром. А для случая, отмеченного на рисунке, электрон находится на уровне Е3, имеет энергию возбуждения, равную Е3 – Е1 и энергию связи равную Еиониз. – Е3. Если же атомарный электрон находится на уровне Еиониз., то у него энергия связи равна нулю, такой электрон становится свободным, а атом превращается в положительный ион. Таким образом мы видим, что сумма энергий связи и возбуждения у атома всегда равны постоянной величине – энергии ионизации.
А теперь самое интересное, о чём стыдливо помалкивает официальная термодинамика, хотя её, так сказать, «термодинамят» уже две с половиной сотни лет.
Рассмотрим радиационный нагрев тела путём поглощения квантов света (хоть от Солнца, хоть от лазера, хоть от инфракрасного обогревателя). И так, внимание на выше приведённую схему! Наш любимый атом, находясь в основном (не возбуждённом) состоянии с запасом энергии Е1, поглощает резонансный квант света с энергией в точности равной Е3 – Е1 = Екванта (ну повезло нашему атому с резонансным квантом) и переходит в возбуждённое состояние на уровень Е3. В результате таких вот актов поглощения квантов происходит радиационный нагрев тела. ВНИМАНИЕ! Следим за пертурбациями энергий у каждого атома. И так, у нашего атома, УВЕЛИЧИЛАСЬ энергия возбуждения на величину Е3 – Е1 = Евозбужд. Но! На ТУ ЖЕ величину у этого атома УМЕНЬШИЛАСЬ энергия связи электрона – на Е3 – Е1. До момента поглощения кванта энергия связи у атомарного электрона была Еиониз. – Е1 = Еиониз. (поскольку Е1 = 0). А теперь энергия связи уменьшилась на Е3 – Е1 = Евозбуж. Т.е., испытывая радиационный нагрев атомы нагреваемого тела НЕ ПОЛУЧАЮТ энергию ИЗВНЕ !!! Они обходятся внутренней пертурбацией в СВЯЗАННОЙ ПАРЕ энергий. Энергия ВОЗБУЖДЕНИЯ – ответственная за температуру – увеличилась, а сопряжённая ей энергия – энергия связи – на такую же величину УМЕНЬШИЛАСЬ! И атом после поглощения кванта остался с той же величиной своих энергий! Вуаля! Вот это прокол официальной термодинамики! Также и атом источника тепла, например, раскалённой пластинки инфракрасного обогревателя, испуская гамма-квант, НЕ ТЕРЯЕТ (не отдаёт через улетающий гамма-квант) никакой своей энергии. В этом атоме происходит также пертурбация в сопряжённой паре энергий, только в ПРОТИВОПОЛОЖНОМ направлении – энергия возбуждения атомарного электрона УМЕНЬШАЕТСЯ, а энергия его связи с ядром на точно такую же величину УВЕЛИЧИВАЕТСЯ (в полном согласии с законом сохранения энергии). Т.е., и охлаждающееся тело НЕ ОТДАЁТ свою энергию ВО ВНЕ! Всё приплыли! Суши вёсла! Если следовать канонам официальной термодинамики, то предлагаемый её вариант с "передачей" энергии от хорячего тела к холодному - это будет что-то из серии: "тут помню, а тут не помню". Таки средневековые архаизмы в представлении о теплоте, как бы перетекающей от горячего тела к холодному так и «перетекли» в современную ортодоксальную термодинамику. Да, мы понимаем, это большой ПРОКОЛ, рушатся сами основы всей термодинамики, но что поделаешь, нельзя в физике долго держаться за старые теоретические модели, похоже, их чаще нужно было менять, а не посылать неудобные экспериментальные факты куда подальше. И подобных аля-птолемеевских моделей, внешне немного правдоподобных, но НЕ физичных, в современной "канонической" теории - СОТНИ!
А теперь рассмотрим планковский спектр излучения какого-нибудь тела, например, на рисунке ниже.
А теперь самое интересное, о чём стыдливо помалкивает официальная термодинамика, хотя её, так сказать, «термодинамят» уже две с половиной сотни лет.
Рассмотрим радиационный нагрев тела путём поглощения квантов света (хоть от Солнца, хоть от лазера, хоть от инфракрасного обогревателя). И так, внимание на выше приведённую схему! Наш любимый атом, находясь в основном (не возбуждённом) состоянии с запасом энергии Е1, поглощает резонансный квант света с энергией в точности равной Е3 – Е1 = Екванта (ну повезло нашему атому с резонансным квантом) и переходит в возбуждённое состояние на уровень Е3. В результате таких вот актов поглощения квантов происходит радиационный нагрев тела. ВНИМАНИЕ! Следим за пертурбациями энергий у каждого атома. И так, у нашего атома, УВЕЛИЧИЛАСЬ энергия возбуждения на величину Е3 – Е1 = Евозбужд. Но! На ТУ ЖЕ величину у этого атома УМЕНЬШИЛАСЬ энергия связи электрона – на Е3 – Е1. До момента поглощения кванта энергия связи у атомарного электрона была Еиониз. – Е1 = Еиониз. (поскольку Е1 = 0). А теперь энергия связи уменьшилась на Е3 – Е1 = Евозбуж. Т.е., испытывая радиационный нагрев атомы нагреваемого тела НЕ ПОЛУЧАЮТ энергию ИЗВНЕ !!! Они обходятся внутренней пертурбацией в СВЯЗАННОЙ ПАРЕ энергий. Энергия ВОЗБУЖДЕНИЯ – ответственная за температуру – увеличилась, а сопряжённая ей энергия – энергия связи – на такую же величину УМЕНЬШИЛАСЬ! И атом после поглощения кванта остался с той же величиной своих энергий! Вуаля! Вот это прокол официальной термодинамики! Также и атом источника тепла, например, раскалённой пластинки инфракрасного обогревателя, испуская гамма-квант, НЕ ТЕРЯЕТ (не отдаёт через улетающий гамма-квант) никакой своей энергии. В этом атоме происходит также пертурбация в сопряжённой паре энергий, только в ПРОТИВОПОЛОЖНОМ направлении – энергия возбуждения атомарного электрона УМЕНЬШАЕТСЯ, а энергия его связи с ядром на точно такую же величину УВЕЛИЧИВАЕТСЯ (в полном согласии с законом сохранения энергии). Т.е., и охлаждающееся тело НЕ ОТДАЁТ свою энергию ВО ВНЕ! Всё приплыли! Суши вёсла! Если следовать канонам официальной термодинамики, то предлагаемый её вариант с "передачей" энергии от хорячего тела к холодному - это будет что-то из серии: "тут помню, а тут не помню". Таки средневековые архаизмы в представлении о теплоте, как бы перетекающей от горячего тела к холодному так и «перетекли» в современную ортодоксальную термодинамику. Да, мы понимаем, это большой ПРОКОЛ, рушатся сами основы всей термодинамики, но что поделаешь, нельзя в физике долго держаться за старые теоретические модели, похоже, их чаще нужно было менять, а не посылать неудобные экспериментальные факты куда подальше. И подобных аля-птолемеевских моделей, внешне немного правдоподобных, но НЕ физичных, в современной "канонической" теории - СОТНИ!
А теперь рассмотрим планковский спектр излучения какого-нибудь тела, например, на рисунке ниже.
В подобных спектрах по оси ординат откладывают разные энергетические единицы измерения. Обычно ортодоксы избегают указывать по оси ординат среднюю энергию возбуждения атома иначе легко будет увидеть следующий прокол. Рассмотрим, например, кривую для Т = 600К (или это 327 0С) – чёрная линия на графике. Максимум этой кривой соответствует длине волны излучаемого света примерно 3,7 мкм. Этому соответствует определённая частота f и соответственно энергия излучаемых квантов света Е = hf – это наиболее вероятная (см. кривую на графике) энергия испускаемых квантов, хотя это тело излучает и кванты с энергиями больше и меньше этой наиболее вероятной. Если в планковском спектре по оси ординат отложить энергии возбуждения атомов нагретого тела, то максимум этого графика будет соответствовать наиболее вероятной энергии возбуждения атомов (атомарных электронов) в теле. Температура – назовём её планковская (или атомная) температура - здесь входит как параметр средней энергии возбуждения атомов. Чем выше энергия возбуждения атомарных электронов, тем выше и планковская (атомная) температура. Но чем выше энергия возбуждения атомарных электронов, тем ниже энергия связи этих электронов с ядром. Т.е., чем выше температура тела, тем меньше средняя энергии связи у атомарных электронов.
А вот и определение планковской температуры (пока только планковской). Атомная (планковская) температура – это мера того, какая часть энергий связи атомарных электронов (в среднем) превращена в их энергии возбуждения. Мера положения некоторой разделительной планки между двумя СОПРЯЖЁННЫМИ парами энергий, одна из которых – энергия возбуждения -, так сказать, отвечает за температуру тела.
Вернёмся к ортодоксальному подходу к температуре в котором нам говорят только про связь температуры со средней кинетической энергией движения атомов и молекул. Вот максвелловское распределение по скоростям для азота.
А вот и определение планковской температуры (пока только планковской). Атомная (планковская) температура – это мера того, какая часть энергий связи атомарных электронов (в среднем) превращена в их энергии возбуждения. Мера положения некоторой разделительной планки между двумя СОПРЯЖЁННЫМИ парами энергий, одна из которых – энергия возбуждения -, так сказать, отвечает за температуру тела.
Вернёмся к ортодоксальному подходу к температуре в котором нам говорят только про связь температуры со средней кинетической энергией движения атомов и молекул. Вот максвелловское распределение по скоростям для азота.
Посмотрим на кривую для Т=300К. Максимум этого графика соответствует скорости движения молекул примерно 420 м/сек. Т.е., при температуре Т=300К (или 270С – это комнатная температура) наиболее вероятная скорость движения молекул азота 420 м/сек., хотя (см. на график) есть молекулы, скорости которых много меньше 420 м/сек., но и их доля гораздо меньше и есть молекулы с почти ультрарелятивистскими скоростями, но и их процент чуть более нуля. Здесь температура выступает как параметр средней кинетической энергии молекул (пока оставим открытым вопрос о СОПРЯЖЁННОЙ паре этой кинетической энергии!), назовём её кинетическая (или максвелловская) температура. Попутно отметим, что максвелловское распределение по скоростям и планковский спектр похожи друг на друга как близнецы.
Очевидно, что в теле, все части которого находятся в термодинамическом равновесии планковская (атомная) и максвелловская (кинетическая) температуры равны друг другу. Это означает, что для любой конкретной температуры тела Т1 существует, во-первых, наиболее вероятная энергия возбуждения атомов и молекул этого тела, которая соответствует максимуму планковского спектра при температуре Т1. И, во-вторых, существует некая наиболее вероятная скорость движения молекул, которая соответствует максимуму максвелловского распределения при той же температуре Т1. А при любой большей температуре Т2 > Т1 у этого тела будут больше и средняя энергия возбуждения, и средняя кинетическая энергия движения его молекул. Но сейчас нас будут интересовать те случаи, когда у тела атомная и кинетическая температуры могут НЕ совпадать. Вот представьте, стоит кастрюля с водой под солнечными лучами. Молекулы воды поглощая кванты света, увеличивают свои средние энергии возбуждения (помните, уменьшая при этом энергии связи) и таким образом у воды повышается её атомная температура, вода на солнце нагревается, НЕ ПОГЛОЩАЯ при этом энергию ИЗВНЕ! Теперь другая ситуация, кастрюля с водой стоит на включенной газовой плите. Здесь контактный способ нагрева, быстрые молекулы и ионы пламени, "передают" часть своей кинетической энергии через стенки кастрюли молекулам воды. Здесь возрастает средняя кинетическая энергия молекул воды и, стало быть, кинетическая (или максвелловская) температура воды. В обеих этих приведённых случаях мы имеем дело с НЕРАВНОВЕСНЫМ температурным состоянием тел. Сразу же в обеих случаях начинаются процессы релаксации, в первом случае, высокая атомная температура, уменьшаясь, подтягивает за собой кинетическую температуру воды. Т.е., постепенно, в результате неупругого столкновения молекул и обмена квантами уменьшается атомная температура воды и увеличивается кинетическая температура воды до тех пор, покуда они не сравняются в некоторой точке: Тат = Ткин . В теле (в воде) наступит термодинамическое равновесие. И наоборот происходят процессы релаксации во втором случае, когда кинетическая температура воды будет уменьшаться, подтягивая за собой атомную температуру, покуда они тоже не сравняются. Ещё интереснее выглядят протекающие процессы при приведении в контакт двух тел с разными изначальными температурами. Здесь происходит выравнивание у них температур по следующему сценарию. Например, у более холодного тела с температурой Т1 = Т1ат = Т1кин в процессе, так называемого, «теплообмена» начинают увеличиваться и Т1ат , и Т1кин , а у более горячего тела с Т2 = Т2ат = Т2кин начинают уменьшатся и Т2ат , и Т2кин , стремясь к некоторой конечной промежуточной между ними температуре Т3 . Но поскольку процессы, так называемого, «теплообмена» по каналу обмена квантами идут интенсивнее столкновительного «теплообмена», то в процессе времени установления теплового равновесия (релаксации) в этих двух телах, когда все четыре выше названные температуры будут стремиться к конечной температуре Т3 , атомная температура первого тела будет постоянно обгонять (быть выше) кинетическую температуру первого же тела, покуда они не сравняются в точке Т3 , и во втором теле в процессе релаксации атомная температура, уменьшаясь, будет обгонять (быть ниже) кинетическую температуру второго тела, покуда они не сравняются в той же точке Т3 . Вот такие интересные температурные процессы происходят при, так называемом, «теплообмене». Мы уже показали, что в случае изменения атомной (планковской) температуры никакой ПЕРЕДАЧИ (ПЕРЕКАЧКИ) энергии из горячего тела в холодное НЕ происходит. В обеих телах происходит внутренняя пертурбация энергий в сопряжённых парах. Она происходит скоррелировано в обеих этих телах: в охлаждающемся теле – уменьшается средняя энергия возбуждения атомов и молекул и на такую же величину увеличивается средняя энергия связи атомарных электронов с ядром, а в нагреваемом теле наоборот - увеличивается средняя энергия возбуждения атомов и молекул и на такую же величину уменьшается средняя энергия связи атомарных электронов с ядром. НИКАКОГО обмена энергиями между горячим и холодным телами НЕ происходит, каждый атом обходится пертурбацией своих внутренних запасов энергии! Но весь этот описанный механизм (изменение температуры тела БЕЗ вкачивания в него энергии извне) мы рассмотрели применительно только к атомной (планковской) температуре тела. Тут, для энергии возбуждения мы относительно легко нашли связанную с ней пару – энергию связи атома с ядром, в которой увеличение одной энергии всегда происходит за счёт уменьшения другой и наоборот. В случае же кинетической (максвелловской) температуры для средней кинетической энергии движения молекул тоже существует СОПРЯЖЁННАЯ ЕЙ ПАРА энергии. Но найти её оказалось сложнее, пришлось переворошить всю физику высоких энергий – «релятивистскую физику», найти там свои пласты глюков и перекосов в теории релятивизма. Но это отдельная большая и сложная тема, постепенно и она будет освещаться на настоящем сайте в будущем соответствующем подразделе. Пока же назовём эту сопряжённую энергию к кинетической энергии как «собственная» энергия. И покажем, следуя закону сохранения энергии (к слову, часто попираемому теоретиками официальной канонической физики) – это незыблемый физический закон, что она просто существует.
Давайте вернёмся к рассмотрению ситуации, где у нас вода грелась под солнечными лучами. Молекулы воды поглощали световые кванты, увеличивая свои средние энергии возбуждения (и соответственно, уменьшая энергии связи электронов с ядром в полном согласии с законом сохранения энергии), т.е. НЕ ПОЛУЧАЛИ энергию ИЗ ВНЕ, а обходились лишь пертурбацией в своих «закромах» энергии.
А это, понимаете ли, ни много, ни мало, означает, что ВТОРОЕ НАЧАЛО термодинамики (сформулированное в эпоху первых паровых машин) тут оказывается не при делах. Видим, что это НАЧАЛО нас немного подкачало. Потом рассмотрим с вами ещё кучу процессов (их очень много!), в которых и ПЕРВОЕ и ВТОРОЕ НАЧАЛА, как говорится, отдыхают. А ведь их впечатали в учебники и справочники, на них взрастили вереницу поколений теплотехников – до сих пор взращивают. И, наверное, лишь очень немногих из них не терзают смутные сомнения.
И так, молекулы воды, поглощая кванты света, увеличивают свои средние энергии возбуждения (согласно планковскому
спектру) и соответственно свою атомную (планковскую) температуру. Это неравновесное состояние, в котором атомная температура воды стала выше кинетической (максвелловской) температуры сразу начинает в результате внутренних процессов (в результате не упругого соударения молекул) исправляться: планковская температура воды постепенно
уменьшается, подтягивая к себе максвелловскую температуру, пока они не сравняются и в воде наступит термодинамическое равновесие: Тат = Ткин . А теперь обратим внимание на такой момент. Уменьшение планковской температуры и связанного с этим уменьшения средней энергии возбуждения молекул воды НЕ ИДЁТ (!) на увеличение средней кинетической энергии движения молекул воды. Поскольку энергия возбуждения, как мы показывали выше, входит в СВЯЗАННУЮ ПАРУ с энергией связи. И все увеличения или уменьшения одной из этих энергий идут за счёт такого же уменьшения или увеличения второй из них, подчеркнём, в полном согласии с законом сохранения энергии. Таким образом мы подводим вас к выводу, что увеличение кинетической энергии молекул воды черпается из какого-то ДРУГОГО источника, а НЕ из энергии связи. Т.е., пока, не вдаваясь в физическую природу второй энергии (назовём её «собственная» энергия) во второй СВЯЗАННОЙ ПАРЕ энергий (кинетическая энергия молекул воды – «собственная» энергия молекул воды), мы показываем, что она - эта «вторая» энергия во второй связанной паре энергий просто должна существовать, исходя из требований закона сохранения энергий.
Выше мы описывали механизм, так называемого, «теплообмена» при приведении в контакт горячего и холодного тел, когда атомная Тат и кинетическая Ткин температуры холодного тела увеличивались по разным «траекториям», двигаясь к конечной равновесной температуре. А атомная Тат и кинетическая Ткин температуры горячего уменьшались, двигаясь к той же конечной температуре. А вот на уровне пертурбаций энергий в двух СОПРЯЖЁННЫХ ПАРАХ (энергия возбуждения - энергия связи; кинетическая энергия – «собственная» энергия) происходит следующее. У горячего тела уменьшаются энергия (средняя) возбуждения и кинетическая (средняя) энергия, а возрастают связанные с ними в ПАРАХ энергии: энергия (средняя) связи и «собственная» (средняя) энергия. А у холодного тела перераспределения энергий в СВЯЗАННЫХ ПАРАХ идёт в противоположном направлении. НИКАКОГО «телообмена» между телами (горячим и холодным) НЕ ПРОИСХОДИТ. Или Второе начало термодинамики – полностью не при делах!!!
Выше мы давали определение атомной (планковской) температуры. А теперь дадим определение кинетической (максвелловской) температуры.
Кинетическая (максвелловская) температура – это мера того, какая часть «собственных» энергий атомов или молекул (в среднем) превращена в их кинетические энергии хаотичного движения. Мера положения некоторой разделительной планки между двумя СОПРЯЖЁННЫМИ парами энергий, одна из которых – кинетическая энергия -, так сказать, отвечает за температуру тела.
Это в официальной термодинамике одна температура – просто температура без, как вы уже поняли, особого физического смысла. Точнее ей пытались придумать физический смысл, но вышло это как-то неудачно. А мы вас познакомили с ДВУМИ температурами – планковской, которая входит параметром в планковский спектр, и максвелловской, которая входит параметром в максвелловское распределение по скоростям. И хотя в телах, находящихся в термодинамическом равновесии они равны друг другу и можно условно говорить об одной температуре (почти как в официальной термодинамике). НО! Мы показали вам ряд процессов, в которых планковская и максвелловская температуры могут не совпадать. И таких процессов в природе много. Это системы, в которых постоянно происходят какие-то процессы, тормозящие или препятствующие установлению термодинамического равновесия. Например, смерч или торнадо. Высота этих природных явлений бывает до нескольких километров. На таких высотах есть перепад давлений в атмосфере, т.е., вертикальный градиент давлений. А также в объёме тела смерча есть горизонтальный градиент скоростей движения воздушных масс: в центре смерча – покой (скорость равна нулю), а к стенкам смерча линейная скорость вращения достигает сотен метров в секунду. В такой вот реальной системе – не равновесной в термодинамическом смысле – творятся вообще впечатляющие «чудеса». Смерч «забирает» тепло (в смысле пертурбаций энергий в двух сопряжённых парах) из верхних холодных слоёв атмосферы и «передаёт» его нижним более тёплым слоям. Примерно, как тепловой насос при модном ныне способе отапливания домов.
Ещё пример. Недра Солнца тоже далеко не равновесная система. Не будем утверждать, что там идут именно «ядерные» реакции – об этом чуть позже, – но бурные «энергетические» (точнее, температурные) процессы там непременно идут. Вот перед вами спектр Солнца (см. рисунок ниже).
Очевидно, что в теле, все части которого находятся в термодинамическом равновесии планковская (атомная) и максвелловская (кинетическая) температуры равны друг другу. Это означает, что для любой конкретной температуры тела Т1 существует, во-первых, наиболее вероятная энергия возбуждения атомов и молекул этого тела, которая соответствует максимуму планковского спектра при температуре Т1. И, во-вторых, существует некая наиболее вероятная скорость движения молекул, которая соответствует максимуму максвелловского распределения при той же температуре Т1. А при любой большей температуре Т2 > Т1 у этого тела будут больше и средняя энергия возбуждения, и средняя кинетическая энергия движения его молекул. Но сейчас нас будут интересовать те случаи, когда у тела атомная и кинетическая температуры могут НЕ совпадать. Вот представьте, стоит кастрюля с водой под солнечными лучами. Молекулы воды поглощая кванты света, увеличивают свои средние энергии возбуждения (помните, уменьшая при этом энергии связи) и таким образом у воды повышается её атомная температура, вода на солнце нагревается, НЕ ПОГЛОЩАЯ при этом энергию ИЗВНЕ! Теперь другая ситуация, кастрюля с водой стоит на включенной газовой плите. Здесь контактный способ нагрева, быстрые молекулы и ионы пламени, "передают" часть своей кинетической энергии через стенки кастрюли молекулам воды. Здесь возрастает средняя кинетическая энергия молекул воды и, стало быть, кинетическая (или максвелловская) температура воды. В обеих этих приведённых случаях мы имеем дело с НЕРАВНОВЕСНЫМ температурным состоянием тел. Сразу же в обеих случаях начинаются процессы релаксации, в первом случае, высокая атомная температура, уменьшаясь, подтягивает за собой кинетическую температуру воды. Т.е., постепенно, в результате неупругого столкновения молекул и обмена квантами уменьшается атомная температура воды и увеличивается кинетическая температура воды до тех пор, покуда они не сравняются в некоторой точке: Тат = Ткин . В теле (в воде) наступит термодинамическое равновесие. И наоборот происходят процессы релаксации во втором случае, когда кинетическая температура воды будет уменьшаться, подтягивая за собой атомную температуру, покуда они тоже не сравняются. Ещё интереснее выглядят протекающие процессы при приведении в контакт двух тел с разными изначальными температурами. Здесь происходит выравнивание у них температур по следующему сценарию. Например, у более холодного тела с температурой Т1 = Т1ат = Т1кин в процессе, так называемого, «теплообмена» начинают увеличиваться и Т1ат , и Т1кин , а у более горячего тела с Т2 = Т2ат = Т2кин начинают уменьшатся и Т2ат , и Т2кин , стремясь к некоторой конечной промежуточной между ними температуре Т3 . Но поскольку процессы, так называемого, «теплообмена» по каналу обмена квантами идут интенсивнее столкновительного «теплообмена», то в процессе времени установления теплового равновесия (релаксации) в этих двух телах, когда все четыре выше названные температуры будут стремиться к конечной температуре Т3 , атомная температура первого тела будет постоянно обгонять (быть выше) кинетическую температуру первого же тела, покуда они не сравняются в точке Т3 , и во втором теле в процессе релаксации атомная температура, уменьшаясь, будет обгонять (быть ниже) кинетическую температуру второго тела, покуда они не сравняются в той же точке Т3 . Вот такие интересные температурные процессы происходят при, так называемом, «теплообмене». Мы уже показали, что в случае изменения атомной (планковской) температуры никакой ПЕРЕДАЧИ (ПЕРЕКАЧКИ) энергии из горячего тела в холодное НЕ происходит. В обеих телах происходит внутренняя пертурбация энергий в сопряжённых парах. Она происходит скоррелировано в обеих этих телах: в охлаждающемся теле – уменьшается средняя энергия возбуждения атомов и молекул и на такую же величину увеличивается средняя энергия связи атомарных электронов с ядром, а в нагреваемом теле наоборот - увеличивается средняя энергия возбуждения атомов и молекул и на такую же величину уменьшается средняя энергия связи атомарных электронов с ядром. НИКАКОГО обмена энергиями между горячим и холодным телами НЕ происходит, каждый атом обходится пертурбацией своих внутренних запасов энергии! Но весь этот описанный механизм (изменение температуры тела БЕЗ вкачивания в него энергии извне) мы рассмотрели применительно только к атомной (планковской) температуре тела. Тут, для энергии возбуждения мы относительно легко нашли связанную с ней пару – энергию связи атома с ядром, в которой увеличение одной энергии всегда происходит за счёт уменьшения другой и наоборот. В случае же кинетической (максвелловской) температуры для средней кинетической энергии движения молекул тоже существует СОПРЯЖЁННАЯ ЕЙ ПАРА энергии. Но найти её оказалось сложнее, пришлось переворошить всю физику высоких энергий – «релятивистскую физику», найти там свои пласты глюков и перекосов в теории релятивизма. Но это отдельная большая и сложная тема, постепенно и она будет освещаться на настоящем сайте в будущем соответствующем подразделе. Пока же назовём эту сопряжённую энергию к кинетической энергии как «собственная» энергия. И покажем, следуя закону сохранения энергии (к слову, часто попираемому теоретиками официальной канонической физики) – это незыблемый физический закон, что она просто существует.
Давайте вернёмся к рассмотрению ситуации, где у нас вода грелась под солнечными лучами. Молекулы воды поглощали световые кванты, увеличивая свои средние энергии возбуждения (и соответственно, уменьшая энергии связи электронов с ядром в полном согласии с законом сохранения энергии), т.е. НЕ ПОЛУЧАЛИ энергию ИЗ ВНЕ, а обходились лишь пертурбацией в своих «закромах» энергии.
А это, понимаете ли, ни много, ни мало, означает, что ВТОРОЕ НАЧАЛО термодинамики (сформулированное в эпоху первых паровых машин) тут оказывается не при делах. Видим, что это НАЧАЛО нас немного подкачало. Потом рассмотрим с вами ещё кучу процессов (их очень много!), в которых и ПЕРВОЕ и ВТОРОЕ НАЧАЛА, как говорится, отдыхают. А ведь их впечатали в учебники и справочники, на них взрастили вереницу поколений теплотехников – до сих пор взращивают. И, наверное, лишь очень немногих из них не терзают смутные сомнения.
И так, молекулы воды, поглощая кванты света, увеличивают свои средние энергии возбуждения (согласно планковскому
спектру) и соответственно свою атомную (планковскую) температуру. Это неравновесное состояние, в котором атомная температура воды стала выше кинетической (максвелловской) температуры сразу начинает в результате внутренних процессов (в результате не упругого соударения молекул) исправляться: планковская температура воды постепенно
уменьшается, подтягивая к себе максвелловскую температуру, пока они не сравняются и в воде наступит термодинамическое равновесие: Тат = Ткин . А теперь обратим внимание на такой момент. Уменьшение планковской температуры и связанного с этим уменьшения средней энергии возбуждения молекул воды НЕ ИДЁТ (!) на увеличение средней кинетической энергии движения молекул воды. Поскольку энергия возбуждения, как мы показывали выше, входит в СВЯЗАННУЮ ПАРУ с энергией связи. И все увеличения или уменьшения одной из этих энергий идут за счёт такого же уменьшения или увеличения второй из них, подчеркнём, в полном согласии с законом сохранения энергии. Таким образом мы подводим вас к выводу, что увеличение кинетической энергии молекул воды черпается из какого-то ДРУГОГО источника, а НЕ из энергии связи. Т.е., пока, не вдаваясь в физическую природу второй энергии (назовём её «собственная» энергия) во второй СВЯЗАННОЙ ПАРЕ энергий (кинетическая энергия молекул воды – «собственная» энергия молекул воды), мы показываем, что она - эта «вторая» энергия во второй связанной паре энергий просто должна существовать, исходя из требований закона сохранения энергий.
Выше мы описывали механизм, так называемого, «теплообмена» при приведении в контакт горячего и холодного тел, когда атомная Тат и кинетическая Ткин температуры холодного тела увеличивались по разным «траекториям», двигаясь к конечной равновесной температуре. А атомная Тат и кинетическая Ткин температуры горячего уменьшались, двигаясь к той же конечной температуре. А вот на уровне пертурбаций энергий в двух СОПРЯЖЁННЫХ ПАРАХ (энергия возбуждения - энергия связи; кинетическая энергия – «собственная» энергия) происходит следующее. У горячего тела уменьшаются энергия (средняя) возбуждения и кинетическая (средняя) энергия, а возрастают связанные с ними в ПАРАХ энергии: энергия (средняя) связи и «собственная» (средняя) энергия. А у холодного тела перераспределения энергий в СВЯЗАННЫХ ПАРАХ идёт в противоположном направлении. НИКАКОГО «телообмена» между телами (горячим и холодным) НЕ ПРОИСХОДИТ. Или Второе начало термодинамики – полностью не при делах!!!
Выше мы давали определение атомной (планковской) температуры. А теперь дадим определение кинетической (максвелловской) температуры.
Кинетическая (максвелловская) температура – это мера того, какая часть «собственных» энергий атомов или молекул (в среднем) превращена в их кинетические энергии хаотичного движения. Мера положения некоторой разделительной планки между двумя СОПРЯЖЁННЫМИ парами энергий, одна из которых – кинетическая энергия -, так сказать, отвечает за температуру тела.
Это в официальной термодинамике одна температура – просто температура без, как вы уже поняли, особого физического смысла. Точнее ей пытались придумать физический смысл, но вышло это как-то неудачно. А мы вас познакомили с ДВУМИ температурами – планковской, которая входит параметром в планковский спектр, и максвелловской, которая входит параметром в максвелловское распределение по скоростям. И хотя в телах, находящихся в термодинамическом равновесии они равны друг другу и можно условно говорить об одной температуре (почти как в официальной термодинамике). НО! Мы показали вам ряд процессов, в которых планковская и максвелловская температуры могут не совпадать. И таких процессов в природе много. Это системы, в которых постоянно происходят какие-то процессы, тормозящие или препятствующие установлению термодинамического равновесия. Например, смерч или торнадо. Высота этих природных явлений бывает до нескольких километров. На таких высотах есть перепад давлений в атмосфере, т.е., вертикальный градиент давлений. А также в объёме тела смерча есть горизонтальный градиент скоростей движения воздушных масс: в центре смерча – покой (скорость равна нулю), а к стенкам смерча линейная скорость вращения достигает сотен метров в секунду. В такой вот реальной системе – не равновесной в термодинамическом смысле – творятся вообще впечатляющие «чудеса». Смерч «забирает» тепло (в смысле пертурбаций энергий в двух сопряжённых парах) из верхних холодных слоёв атмосферы и «передаёт» его нижним более тёплым слоям. Примерно, как тепловой насос при модном ныне способе отапливания домов.
Ещё пример. Недра Солнца тоже далеко не равновесная система. Не будем утверждать, что там идут именно «ядерные» реакции – об этом чуть позже, – но бурные «энергетические» (точнее, температурные) процессы там непременно идут. Вот перед вами спектр Солнца (см. рисунок ниже).
На этом графике даны несколько планковских кривых для разных температур (от 45000 до 70000) и спектр Солнца (жирная кривая). Всмотритесь, как реальный спектр неравновесной системы (Солнце) отличается от «гладеньких» кривых всех равновесных спектров. Это для любой «гладенькой» планковской кривой (равновесный спектр) можно уверенно говорить о температуре тела: 70000, 65000, 60000 и т.д. А для жирной кривой, изображающей солнечный спектр можно говорить лишь о некоторой «эффективной» температуре. Из-за того, что недра Солнца неравновесная система, в ней постоянно идут процессы выравнивания планковской и максвелловской температур. НО. Также идут и другие «энергетические» процессы, которые постоянно уводят планковскую и максвелловскую температуры от состояния равновесия. Поэтому, во всех неравновесных (в термодинамическом плане) системах можно говорить лишь о некоторой «эффективной» температуре. Посмотрите на солнечный спектр. Его пик примерно совпадает с планковской кривой для температуры 65000, а слева от пика этот график опускается ниже кривых для 60000, 55000, а справа проходит между кривыми для 60000 и для 65000. Исходя из этого и можно говорить о некой «эффективной» температуре на поверхности Солнца в районе чуть более 60000. Вот они какие, эти неравновесные системы. А ещё представьте какой-нибудь сильно неравновесный спектр (планковский), где будут два ярко выраженный пика (не как у Солнца, такое можно условно посчитать за один пик), один в районе температуры, например, в 25000, а другой в районе температуры в 15000, а между ними резкий провал графика. Тут весомая доля атомов и молекул такого тела будет иметь кинетические энергии и энергии возбуждения, соответствующие температуре 25000, а другая тоже весомая часть - соответствующие температуре 15000, а всех других молекул будет очень и очень мало. В такой вот ситуации даже «эффективную» температуру будет СЛОЖНО назвать.
К вопросу о пропорциональности некоторых видов «тепловой» энергии абсолютной температуре.
Вспомним выше приводимую формулу из молекулярно-кинетической теории про связь между средней кинетической энергией движения молекул и абсолютной температурой: Ek = (3/2)kT. Действительно, здесь есть прямая пропорциональ-ность, да ещё подтверждаемая экспериментально. Как тут не поверить в то, что температура есть МЕРА энергии? Это же почти также «очевидно», как полёт Солнца и звёзд вокруг Земли в системе Птолемея. Вот и поверили многие. И даже придумали единицу измерения энергии – kT, где k – постоянная Больцмана, а Т – абсолютная температура. Теперь точно некуда деваться энергии, кроме, как быть прямо пропорциональной температуре. Но разбираем и анализируем почву для этой «веры» далее.
Выше мы показывали, что у этой, ответственной за температуру средней кинетической энергии движения атомов и молекул ЕСТЬ сопряжённая с ней в паре энергия – «собственная» энергия. И увеличение одной из них всегда происходит за счёт уменьшения другой и наоборот (в полном согласии с законом сохранения энергии). Как и в другой сопряжённой паре энергий: средняя энергия возбуждения атомов и молекул – энергия связи атомарных электронов с ядром.
А теперь вернёмся к ранее рассмотренным графикам – распределению Максвелла и планковскому спектру. Напомним, это ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ кривые, а не гипотезы или постулаты, т.е., это железобетонные данные. Обращаем ваше внимание на то, что максимум кривой распределения Максвелла приходится на энергию kT. Это не средняя энергия (3/2)kT, а точка максимума функции. Т.е., это наиболее вероятная кинетическая энергия молекул при температуре Т. А вот максимум планковской кривой приходится на точку энергии – 5kT. Т.е., это наиболее вероятная энергия возбуждения атомов. Видите, как интересно получается, разные формы энергии имеют разные коэффициенты пропорциональности к абсолютной температуре! Значит у каждого тела, находящегося в термодинамическом равновесии (при Ткин = Тат), наиболее вероятная энергия возбуждения в пять раз больше наиболее вероятной кинетической энергии молекул! Отсюда следует не менее впечатляющий вывод. Тело при первоначальном неравенстве атомной и кинетической температур стремится в результате внутренних процессов к термодинамическому равновесию, при этом ПЯТИКРАТНОЕ изменение (увеличение или уменьшение) атомной температуры вызывает ОДНОКРАТНОЕ изменение (уменьшение или увеличение соответственно) кинетической температуры! И это всё происходит в полном согласии с законом сохранения энергии. Потому как, например, уменьшение атомной температуры тела на пять любых единиц будет соответствовать увеличению энергии возбуждения на те же пять единиц, а сам механизм релаксации (выравнивания температур) таков, что при этом пертурбации энергий во второй связанной паре (кинетическая энергия – «собственная» энергия) будут происходить на одну единицу. Проводя механическую аналогию процессу релаксации, можно сказать, что «коэффициент передачи» между первой и второй сопряжёнными парами энергий: 5:1. И всё это согласуется с опытными данными, кривые то эти экспериментальные! Только вот обращать внимание нужно на ВЕСЬ спектр энергий, а не на одну среднюю кинетическую энергию.
Можно привести такой простой пример использования не полной информации. Зимой частенько из-за вспышек эпидемии гриппа в отдельных регионах школьники массово пропускают из-за болезни занятия в школе. Скажем, эпидемиологичес-кая обстановка в разных районах определяется по сто-бальной шкале, чем выше цифра – тем больше процент заболевших в этом районе. Можно говорить о прямой зависимости между «показателем» эпидемиологической обстановки и «средним количеством отсутствующих» (болеющих) учеников в каждом классе. При некотором показателе N, например, в классах отсутствуют в среднем по школе по 5 учеников. А при большем показателе М – в среднем отсутствуют по 7 учеников. И так далее и всё строго пропорционально. И если мы владеем только ЭТИМИ цифрами, то мы имеем НЕ полную картину ситуации. А если к этим цифрам добавить количество НЕЗАБОЛЕВШИХ (посещающих школу) учеников в каждом классе, то только тогда мы получим ПОЛНУЮ информационную картину о ситуации. Потому как дополнительно заболевший ученик, так сказать, вычитается из списка бывших здоровых учеников, а выздоровевший ученик – пополняет список здоровых. Вот теперь у нас получится полная картина приведённой для примера ситуации.
Так и с многострадальным понятием ТЕМПЕРАТУРА нужно смотреть на полную энергетическую картину, протекающую при, так называемых, «тепловых» процессах.
Ещё о центральном догмате квантовой теории.
Приходится отклоняться от заявленной темы «температура, теплота», потому как любые изменения в природе происходят ВО ВСЕЙ ПОЛНОТЕ своих «законов», а не тех субъективно дифференцированных подходов, которыми оперирует официальная физическая теория. Напомним, что этот центральный догмат теории гласит, что энергия испускается и поглощается атомами порциями – квантами, а величина энергии этих квантов в точности равна разности энергий между дискретными уровнями энергий в спектре возбуждения атома. Выше мы уже рассматривали теоретическую схему испускания и поглощения кванта атомом и указывали на ряд несоответствий практики и квантовой теории. А здесь мы добавим к списку несоответствий ещё некоторые экспериментальные факты. При этом мы не отрицаем, что физическая природа на уровне микромире дискретна, но она квантуется НЕ по тем предписаниям, которые навесила на микромир современная квантовая теория. Вот ещё экспериментальные факты.
Рассмотрим протекание «тепловых» процессов в земных условиях с диапазоном температур, например, от 00С до 10000С, это от комнатных температур до температуры пламени костра, печи, пожара или какого-то техногенного процесса. При этом диапазоне температур происходит подавляющее количество тепловых процессов на поверхности Земли, примерно 95-99% тепловых процессов.
Вспомним (см.рис. выше), что у атома водорода первый уровень возбуждения имеет энергию 10,2 эВ. А у большинства других атомов планка первого возбуждённого уровня расположена выше основного (невозбуждённого) уровня на 15-20 эВ. И согласно квантовой теории эти атомы должны «скушать» квант света с энергией 10,2 или 15-20 эВ соответственно, чтобы электрон смог «запрыгнуть» на свой первый разрешённый возбуждённый уровень.
А теперь, ВНИМАНИЕ! Средняя энергия возбуждения атомов и молекул в этом диапазоне температур (00 – 10000) находится в пределах СОТЫХ и ДЕСЯТЫХ ДОЛЕЙ эВ !!! Т.е., энергии возбуждения подавляющего количества атомов на поверхности Земли попадают в КОНТИНУУМ между невозбуждённым и первым уровнем возбуждения. Опять же, вопреки центральному догмату квантовой теории.
Основной радиационный нагрев тела', находящиеся на земле, испытывают, поглощая кванты света от Солнца. Это в основном кванты видимого диапазона и понемногу инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Энергии квантов видимого света – это 2-3 эВ. Атомы, поглощая кванты теплового, видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона с энергиями до 10 эВ (это почти весь солнечный свет, доходящий до поверхности земли), получают энергии возбуждения, опять же попадающие в КОНТИНУУМ между невозбуждённым и первым уровнем возбуждения. Оказывается, какой густо «заселённый» этот самый континуум до первого «разрешённого» квантовой теорией уровня.
Атом тела, поглотивший солнечный квант и получивший энергию возбуждения в несколько эВ, тут же в результате релаксации начинает «делиться» этой энергией с тысячами соседних атомов, увеличивая их средние энергии возбуждения и средние кинетические энергии хаотического движения. И все окружающие атомы снова имеют средние энергии возбуждения в районе сотых долей эВ. Это РЕАЛЬНЫЕ масштабы «энергетических» (температурных) процессов на Земле.
Получается, что все КОНТИНУУМЫ между «разрешёнными» уровнями энергии очень густо заселены «неправильно» возбуждёнными электронами. Это реалии физического микромира. А то что квантовая механика, столкнувшись с очередным противоречием между её теоретическими положениями и практическим опытом, обычно пытается поправить своё пошатнувшееся положение ещё одним «постулатом», тупо констатирующем этот ново открывшийся факт – так это не поиск ФИЗИЧЕСКОГО смысла происходящих процессов, а банальное описалово – "что вижу, о том и пою" без попыток найти этот самый физический смысл. А с физическим смыслом у квантовой теории отношения весьма своеобразные: что для физического смысла хорошо, то для квантовой теории – смерть. И наоборот. С первых постулатов Бора она сразу пошла не по пути поиска физического смысла, а по пути банальной констатации вновь открываемых экспериментальных фактов в виде новых и новых постулатов. Как в этом примере. Осень. Похолодало. Листья пожелтели. Грачи улетели. Это всё «постулаты» перечислены через точку, без объяснения причин произошедшего.
Вспомним выше приводимую формулу из молекулярно-кинетической теории про связь между средней кинетической энергией движения молекул и абсолютной температурой: Ek = (3/2)kT. Действительно, здесь есть прямая пропорциональ-ность, да ещё подтверждаемая экспериментально. Как тут не поверить в то, что температура есть МЕРА энергии? Это же почти также «очевидно», как полёт Солнца и звёзд вокруг Земли в системе Птолемея. Вот и поверили многие. И даже придумали единицу измерения энергии – kT, где k – постоянная Больцмана, а Т – абсолютная температура. Теперь точно некуда деваться энергии, кроме, как быть прямо пропорциональной температуре. Но разбираем и анализируем почву для этой «веры» далее.
Выше мы показывали, что у этой, ответственной за температуру средней кинетической энергии движения атомов и молекул ЕСТЬ сопряжённая с ней в паре энергия – «собственная» энергия. И увеличение одной из них всегда происходит за счёт уменьшения другой и наоборот (в полном согласии с законом сохранения энергии). Как и в другой сопряжённой паре энергий: средняя энергия возбуждения атомов и молекул – энергия связи атомарных электронов с ядром.
А теперь вернёмся к ранее рассмотренным графикам – распределению Максвелла и планковскому спектру. Напомним, это ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ кривые, а не гипотезы или постулаты, т.е., это железобетонные данные. Обращаем ваше внимание на то, что максимум кривой распределения Максвелла приходится на энергию kT. Это не средняя энергия (3/2)kT, а точка максимума функции. Т.е., это наиболее вероятная кинетическая энергия молекул при температуре Т. А вот максимум планковской кривой приходится на точку энергии – 5kT. Т.е., это наиболее вероятная энергия возбуждения атомов. Видите, как интересно получается, разные формы энергии имеют разные коэффициенты пропорциональности к абсолютной температуре! Значит у каждого тела, находящегося в термодинамическом равновесии (при Ткин = Тат), наиболее вероятная энергия возбуждения в пять раз больше наиболее вероятной кинетической энергии молекул! Отсюда следует не менее впечатляющий вывод. Тело при первоначальном неравенстве атомной и кинетической температур стремится в результате внутренних процессов к термодинамическому равновесию, при этом ПЯТИКРАТНОЕ изменение (увеличение или уменьшение) атомной температуры вызывает ОДНОКРАТНОЕ изменение (уменьшение или увеличение соответственно) кинетической температуры! И это всё происходит в полном согласии с законом сохранения энергии. Потому как, например, уменьшение атомной температуры тела на пять любых единиц будет соответствовать увеличению энергии возбуждения на те же пять единиц, а сам механизм релаксации (выравнивания температур) таков, что при этом пертурбации энергий во второй связанной паре (кинетическая энергия – «собственная» энергия) будут происходить на одну единицу. Проводя механическую аналогию процессу релаксации, можно сказать, что «коэффициент передачи» между первой и второй сопряжёнными парами энергий: 5:1. И всё это согласуется с опытными данными, кривые то эти экспериментальные! Только вот обращать внимание нужно на ВЕСЬ спектр энергий, а не на одну среднюю кинетическую энергию.
Можно привести такой простой пример использования не полной информации. Зимой частенько из-за вспышек эпидемии гриппа в отдельных регионах школьники массово пропускают из-за болезни занятия в школе. Скажем, эпидемиологичес-кая обстановка в разных районах определяется по сто-бальной шкале, чем выше цифра – тем больше процент заболевших в этом районе. Можно говорить о прямой зависимости между «показателем» эпидемиологической обстановки и «средним количеством отсутствующих» (болеющих) учеников в каждом классе. При некотором показателе N, например, в классах отсутствуют в среднем по школе по 5 учеников. А при большем показателе М – в среднем отсутствуют по 7 учеников. И так далее и всё строго пропорционально. И если мы владеем только ЭТИМИ цифрами, то мы имеем НЕ полную картину ситуации. А если к этим цифрам добавить количество НЕЗАБОЛЕВШИХ (посещающих школу) учеников в каждом классе, то только тогда мы получим ПОЛНУЮ информационную картину о ситуации. Потому как дополнительно заболевший ученик, так сказать, вычитается из списка бывших здоровых учеников, а выздоровевший ученик – пополняет список здоровых. Вот теперь у нас получится полная картина приведённой для примера ситуации.
Так и с многострадальным понятием ТЕМПЕРАТУРА нужно смотреть на полную энергетическую картину, протекающую при, так называемых, «тепловых» процессах.
Ещё о центральном догмате квантовой теории.
Приходится отклоняться от заявленной темы «температура, теплота», потому как любые изменения в природе происходят ВО ВСЕЙ ПОЛНОТЕ своих «законов», а не тех субъективно дифференцированных подходов, которыми оперирует официальная физическая теория. Напомним, что этот центральный догмат теории гласит, что энергия испускается и поглощается атомами порциями – квантами, а величина энергии этих квантов в точности равна разности энергий между дискретными уровнями энергий в спектре возбуждения атома. Выше мы уже рассматривали теоретическую схему испускания и поглощения кванта атомом и указывали на ряд несоответствий практики и квантовой теории. А здесь мы добавим к списку несоответствий ещё некоторые экспериментальные факты. При этом мы не отрицаем, что физическая природа на уровне микромире дискретна, но она квантуется НЕ по тем предписаниям, которые навесила на микромир современная квантовая теория. Вот ещё экспериментальные факты.
Рассмотрим протекание «тепловых» процессов в земных условиях с диапазоном температур, например, от 00С до 10000С, это от комнатных температур до температуры пламени костра, печи, пожара или какого-то техногенного процесса. При этом диапазоне температур происходит подавляющее количество тепловых процессов на поверхности Земли, примерно 95-99% тепловых процессов.
Вспомним (см.рис. выше), что у атома водорода первый уровень возбуждения имеет энергию 10,2 эВ. А у большинства других атомов планка первого возбуждённого уровня расположена выше основного (невозбуждённого) уровня на 15-20 эВ. И согласно квантовой теории эти атомы должны «скушать» квант света с энергией 10,2 или 15-20 эВ соответственно, чтобы электрон смог «запрыгнуть» на свой первый разрешённый возбуждённый уровень.
А теперь, ВНИМАНИЕ! Средняя энергия возбуждения атомов и молекул в этом диапазоне температур (00 – 10000) находится в пределах СОТЫХ и ДЕСЯТЫХ ДОЛЕЙ эВ !!! Т.е., энергии возбуждения подавляющего количества атомов на поверхности Земли попадают в КОНТИНУУМ между невозбуждённым и первым уровнем возбуждения. Опять же, вопреки центральному догмату квантовой теории.
Основной радиационный нагрев тела', находящиеся на земле, испытывают, поглощая кванты света от Солнца. Это в основном кванты видимого диапазона и понемногу инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Энергии квантов видимого света – это 2-3 эВ. Атомы, поглощая кванты теплового, видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона с энергиями до 10 эВ (это почти весь солнечный свет, доходящий до поверхности земли), получают энергии возбуждения, опять же попадающие в КОНТИНУУМ между невозбуждённым и первым уровнем возбуждения. Оказывается, какой густо «заселённый» этот самый континуум до первого «разрешённого» квантовой теорией уровня.
Атом тела, поглотивший солнечный квант и получивший энергию возбуждения в несколько эВ, тут же в результате релаксации начинает «делиться» этой энергией с тысячами соседних атомов, увеличивая их средние энергии возбуждения и средние кинетические энергии хаотического движения. И все окружающие атомы снова имеют средние энергии возбуждения в районе сотых долей эВ. Это РЕАЛЬНЫЕ масштабы «энергетических» (температурных) процессов на Земле.
Получается, что все КОНТИНУУМЫ между «разрешёнными» уровнями энергии очень густо заселены «неправильно» возбуждёнными электронами. Это реалии физического микромира. А то что квантовая механика, столкнувшись с очередным противоречием между её теоретическими положениями и практическим опытом, обычно пытается поправить своё пошатнувшееся положение ещё одним «постулатом», тупо констатирующем этот ново открывшийся факт – так это не поиск ФИЗИЧЕСКОГО смысла происходящих процессов, а банальное описалово – "что вижу, о том и пою" без попыток найти этот самый физический смысл. А с физическим смыслом у квантовой теории отношения весьма своеобразные: что для физического смысла хорошо, то для квантовой теории – смерть. И наоборот. С первых постулатов Бора она сразу пошла не по пути поиска физического смысла, а по пути банальной констатации вновь открываемых экспериментальных фактов в виде новых и новых постулатов. Как в этом примере. Осень. Похолодало. Листья пожелтели. Грачи улетели. Это всё «постулаты» перечислены через точку, без объяснения причин произошедшего.
Калориметры. Что же можно ими измерить?
Чтобы это прояснить, нужно как бы вернутся в позднее средневековье. В ту самую эпоху, когда неотъемлемой частью Мироздания считалась теплотворная материя, а принцип её неуничтожимости, из-за претензий на Вселенский размах, приводил философов в благоговейный трепет. Для экспериментального подтверждения этого принципа – правда, не во вселенских, а в локальных масштабах – изобрели и ввели в обиход эти коробчонки с двойным дном, называемые калориметрами.
Поразительно: по ходу научно-технического прогресса, от механических секундомеров перешли сначала к кварцевым, а затем и к атомным часам, от землемерных лент перешли к лазерным дальномерам, а затем и к GPS-приёмникам – и только калориметры оказались совершенно незаменимыми в деле прямого определения тепловых эффектов. До сих пор калориметры служат своим пользователям верой и правдой: пользователи в них верят и думают, что с их помощью знают правду. А в средние века на них молились, берегли их от сглаза, и даже окуривали ладаном – что, впрочем, мало помогало. Вот, смотрите: исследуемый процесс протекал в стаканчике с теплопроводящими стенками, который находился внутри большого стакана, заполненного буферным веществом. Если при исследуемом процессе теплотворная материя выделялась или поглощалась, то температура буферного вещества, соответственно, повышалась или понижалась. Измеряемой величиной в обоих случаях являлась разность температур буферного вещества до и после исследуемого процесса – эта разность определялась с помощью термометра. Но! Правда, быстро обнаружилось небольшое затруднение. Повторяли измерения при одном и том же исследуемом процессе, но с разными буферными веществами. И оказалось, что одинаковые веса разных буферных веществ, приобретая одно и то же количество теплотворной материи, нагреваются на разные количества градусов. Недолго думая, тепловых дел мастера ввели в науку ещё одну характеристику веществ – теплоёмкость. Это совсем просто: теплоёмкость больше у того вещества, которое вмещает больше теплотворной материи для того, чтобы, при прочих равных условиях, нагреться на одинаковое количество градусов. Стойте, стойте! Тогда, чтобы определить тепловой эффект калориметрическим способом, требуется заранее знать теплоёмкость буферного вещества! А откуда это знать? Тепловых дел мастера, не напрягаясь, дали ответ и на этот вопрос. Они быстро смекнули, что их коробчонки являются приборами двойного назначения, которые пригодны для измерения не только тепловых эффектов, но и теплоёмкостей тоже. Ведь если вы измеряете разность температур буферного вещества и знаете количество поглощённой им теплотворной материи, то искомая теплоёмкость – у вас на блюдечке! Так и повелось: тепловые эффекты измеряли на основе знания теплоёмкостей, а теплоёмкости узнавали на основе измерений тепловых эффектов. И если кто-то, не по злому умыслу, а чисто из любознательности, спрашивал: «А что вы измерили сначала – теплоту или теплоёмкость?» - то ему отвечали в таком духе: «Слушай, умник, а что было сначала – курица или яйцо?» - и умник понимал, что не надо задавать дурацкие вопросы.
Короче: если не задавать дурацких вопросов, то всё было распрекрасно в калориметрическом методе, за исключением одного нюанса. Этот метод с самого начала был основан на ключевом постулате о том, что теплотворная материя способна перетекать только от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда никто ещё не додумался до простой вещи: если этот ключевой постулат верен, то со временем температуры всех тел выровняются – и, как говорится, аминь. Впрочем, если кто и додумался бы, то ему резонно возразили бы, что Божий замысел не может вмещать такой глупости – и на этом все бы успокоились.
!!! В опытах с калориметрами вовсем НЕ ИЗМЕРЯЮТСЯ НИ КАКИЕ ЭНЕРГИИ (ни в джоулях, не в калориях), измеряемой величиной всегда является ПРИРАЩЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ буферного вещества (градусы), а перетекание энергии от одного тела к другому - это уже придумки теретиков эпохи позднего средневековья !!!
И так, теплотворная материя (или по-современному, тепловая энергия) должна перетекать от более нагретых тел к менее нагретым – такой вот постулат выдвинули. То, что она передаётся от более нагретых тел к менее нагретым, т.е., направление передачи закрепили законом во Втором начале термодинамики. А то, что она непременно перетекает (передаётся) от горячих тел к холодным вписали в Первое начало термодинамики. Тогда, 250 лет назад это было прогрессивной мыслью. А теперь известны сотни процессов, которые идут мимо этих «законов» термодинамики. Выше на примере торнадо и тепловых насосов для отопления домов мы показывали, что прекрасно работает механизм передачи тепла от более холодных тел более горячим. Т.е., такие «механизмы» создаются и в природе, и искусственно человеком. В тепловом насосе эти процессы выглядят так: Зимой вода подо льдом в озере или в скважине имеет температуру, например, 40С. Через теплообменник у неё отбирают «энергию», охлаждая воду до 20С. Далее через систему с фреоном (примерно, как в холодильниках, только наоборот) предают отобранное у воды тепло воздуху отапливаемого помещения. Вода в скважине стала холоднее, а воздух в помещении теплее, всё в полном согласии с законом сохранения энергии. Но и в полном противоречии со Вторым началом термодинамики. Ну а то, что Первое начало термодинамики НЕ ВЕРНО мы уже показывали выше. Тепловая энергия НЕ перетекает от горячих тел к холодным. В обеих телах (горячем и холодном) происходят скоррелированные перераспределения уже имеющихся у атомов и молекул тела энергий в двух сопряжённых парах: энергия возбуждения – энергия связи, кинетическая энергия – «собственная» энергия. В полном согласии с законом сохранения энергии.
Хотите ещё примеров, когда процессы весело идут МИМО начал термодинамики – да пожалуйста.
Поскольку в опытах с калориметрами не получалось подтвердить именно вселенский размах применимости Первого и Второго Начал термодинамики, то теоретики ухватились за «замкнутые» системы. Вот, мол, применительно к ним всё в наших Началах сходится. Посмотрим, так ли? Вот Первое Начало однозначно утверждает, что температура тела не может измениться в результате каких-нибудь внутренних процессов в этом теле. Т.е., чтобы любая замкнутая система изменила свою температуру, в неё нужно ВКАЧАТЬ ИЗВНЕ тепловую энергию или совершить над ней работу опять же ИЗВНЕ. Вселенский закон, мол, и точка.
Но ведь это шутка, таких процессов полным-полно!
Самым жутким в ряду злостных нарушений первого начала термодинамики являются все химические реакции, как экзотермичекие, так и эндотермичекие, которые без затруднений протекают в условиях термоизоляции от окружающей среды. Вот, скажем, начинается реакция с "выделением" тепла. А выделяться ему некуда: термоизоляция мешает. Ладно, греет зона реакции саму себя, не пропадать же добру. Но, в случае реакции с "поглощением" тепла, всё получается гораздо веселее – неоткуда его поглощать в условиях термоизоляции. Каков смысл формулировки «реакция с поглощением тепла», если единственным тепловым результатом является охлаждение зоны реакции? Это умудриться надо: так «поглощать тепло», чтобы при этом охлаждаться! Заметьте, мы сейчас не уточняем источники тепловых эффектов химических реакций. Мы просто говорим о ситуациях, когда тепловой эффект есть, а передачи тепла или совершённой работы – нет. Укладывается это в первое начало термодинамики? Никоим образом!
А вот ещё – тоже известный случай: электрическая цепь, по которой течёт ток. Особенно, когда источником тока является аккумулятор. Проводники имеют ненулевое сопротивление, и в них выделяется джоулево тепло. Это называется «тепловое действие тока». Опять же, никакой передачи тепла при этом не происходит. Если бы она происходила, то тело, которое отдавало бы тепло, охлаждалось бы. Но мы не обнаруживаем такого тела: нагревание есть – всей цепи, в том числе и источника тока – а охлаждения нет. Что же мы видим? Происходит нагрев, когда нет передачи тепла, да и работа над электрической цепью, очевидно, не совершается. Опять, тело само себя греет. Опять, первое начало термодинамики оказывается не при делах!
Так ведь и это не всё. Выделение тепла при радиоактивных распадах атомных ядер тоже происходит, начхавши на первое начало термодинамики. Чудны дела ваши, господа теоретики! И вы ещё нам вдалбливаете, что первое начало термодинамики выражает собой фундаментальный принцип: невозможность вечного двигателя первого рода! А ваше «первое начало» - уже трижды подкачало! Но это, если считать группами: все десятки тысяч разнообразных химических реакций – за одну, все десятки тысяч электрических цепей – за одну, всё разнообразие радиоактивных элементов – за один, а если считать, так сказать, поштучно – то подкачало триста тридцать три тысячи раз! Эх, дяденьки учёные. Этот ваш прокол, конечно, можно извинить роковым стечением исторических обстоятельств: «первое начало» было сформулировано в эпоху паровых машин. Да, для паровозов и пароходов оно сошло за милую душу. Но технический прогресс-то не стоял на месте. Появились теплоходы и тепловозы, трамваи и электровозы, да ещё и мирные ядерные реакторы… А первое начало термодинамики так и зависло на правах догмата. Ай-яй-яй.
Вот и посудите, каково оно кидаться современным теоретикам в построение теории Большого Взрыва, устройства Чёрной Дыры, "струны" и "суперструны", если само основание всех базовых «канонических» физических моделей (теорий) иллюзорно. Сто летние и двухсот летние физические гипотезы (прогрессивные на тот момент) сейчас оказались НЕСОСТОЯТЕЛЬНЫ перед наплывом новых экспериментальных фактов. Но сказать обо всём этом: «А король то голый!» - официальная академическая наука так и не решается. С одной стороны, это понятно, сразу будет им встречный вопрос: «А ЧЕМ вы тогда занимались все эти годы?». Но и с каждым годом эта ситуации будет всё напряжённей и напряжённей, как отложенный взрыв информационной атомной бомбы.
Чтобы это прояснить, нужно как бы вернутся в позднее средневековье. В ту самую эпоху, когда неотъемлемой частью Мироздания считалась теплотворная материя, а принцип её неуничтожимости, из-за претензий на Вселенский размах, приводил философов в благоговейный трепет. Для экспериментального подтверждения этого принципа – правда, не во вселенских, а в локальных масштабах – изобрели и ввели в обиход эти коробчонки с двойным дном, называемые калориметрами.
Поразительно: по ходу научно-технического прогресса, от механических секундомеров перешли сначала к кварцевым, а затем и к атомным часам, от землемерных лент перешли к лазерным дальномерам, а затем и к GPS-приёмникам – и только калориметры оказались совершенно незаменимыми в деле прямого определения тепловых эффектов. До сих пор калориметры служат своим пользователям верой и правдой: пользователи в них верят и думают, что с их помощью знают правду. А в средние века на них молились, берегли их от сглаза, и даже окуривали ладаном – что, впрочем, мало помогало. Вот, смотрите: исследуемый процесс протекал в стаканчике с теплопроводящими стенками, который находился внутри большого стакана, заполненного буферным веществом. Если при исследуемом процессе теплотворная материя выделялась или поглощалась, то температура буферного вещества, соответственно, повышалась или понижалась. Измеряемой величиной в обоих случаях являлась разность температур буферного вещества до и после исследуемого процесса – эта разность определялась с помощью термометра. Но! Правда, быстро обнаружилось небольшое затруднение. Повторяли измерения при одном и том же исследуемом процессе, но с разными буферными веществами. И оказалось, что одинаковые веса разных буферных веществ, приобретая одно и то же количество теплотворной материи, нагреваются на разные количества градусов. Недолго думая, тепловых дел мастера ввели в науку ещё одну характеристику веществ – теплоёмкость. Это совсем просто: теплоёмкость больше у того вещества, которое вмещает больше теплотворной материи для того, чтобы, при прочих равных условиях, нагреться на одинаковое количество градусов. Стойте, стойте! Тогда, чтобы определить тепловой эффект калориметрическим способом, требуется заранее знать теплоёмкость буферного вещества! А откуда это знать? Тепловых дел мастера, не напрягаясь, дали ответ и на этот вопрос. Они быстро смекнули, что их коробчонки являются приборами двойного назначения, которые пригодны для измерения не только тепловых эффектов, но и теплоёмкостей тоже. Ведь если вы измеряете разность температур буферного вещества и знаете количество поглощённой им теплотворной материи, то искомая теплоёмкость – у вас на блюдечке! Так и повелось: тепловые эффекты измеряли на основе знания теплоёмкостей, а теплоёмкости узнавали на основе измерений тепловых эффектов. И если кто-то, не по злому умыслу, а чисто из любознательности, спрашивал: «А что вы измерили сначала – теплоту или теплоёмкость?» - то ему отвечали в таком духе: «Слушай, умник, а что было сначала – курица или яйцо?» - и умник понимал, что не надо задавать дурацкие вопросы.
Короче: если не задавать дурацких вопросов, то всё было распрекрасно в калориметрическом методе, за исключением одного нюанса. Этот метод с самого начала был основан на ключевом постулате о том, что теплотворная материя способна перетекать только от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда никто ещё не додумался до простой вещи: если этот ключевой постулат верен, то со временем температуры всех тел выровняются – и, как говорится, аминь. Впрочем, если кто и додумался бы, то ему резонно возразили бы, что Божий замысел не может вмещать такой глупости – и на этом все бы успокоились.
!!! В опытах с калориметрами вовсем НЕ ИЗМЕРЯЮТСЯ НИ КАКИЕ ЭНЕРГИИ (ни в джоулях, не в калориях), измеряемой величиной всегда является ПРИРАЩЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ буферного вещества (градусы), а перетекание энергии от одного тела к другому - это уже придумки теретиков эпохи позднего средневековья !!!
И так, теплотворная материя (или по-современному, тепловая энергия) должна перетекать от более нагретых тел к менее нагретым – такой вот постулат выдвинули. То, что она передаётся от более нагретых тел к менее нагретым, т.е., направление передачи закрепили законом во Втором начале термодинамики. А то, что она непременно перетекает (передаётся) от горячих тел к холодным вписали в Первое начало термодинамики. Тогда, 250 лет назад это было прогрессивной мыслью. А теперь известны сотни процессов, которые идут мимо этих «законов» термодинамики. Выше на примере торнадо и тепловых насосов для отопления домов мы показывали, что прекрасно работает механизм передачи тепла от более холодных тел более горячим. Т.е., такие «механизмы» создаются и в природе, и искусственно человеком. В тепловом насосе эти процессы выглядят так: Зимой вода подо льдом в озере или в скважине имеет температуру, например, 40С. Через теплообменник у неё отбирают «энергию», охлаждая воду до 20С. Далее через систему с фреоном (примерно, как в холодильниках, только наоборот) предают отобранное у воды тепло воздуху отапливаемого помещения. Вода в скважине стала холоднее, а воздух в помещении теплее, всё в полном согласии с законом сохранения энергии. Но и в полном противоречии со Вторым началом термодинамики. Ну а то, что Первое начало термодинамики НЕ ВЕРНО мы уже показывали выше. Тепловая энергия НЕ перетекает от горячих тел к холодным. В обеих телах (горячем и холодном) происходят скоррелированные перераспределения уже имеющихся у атомов и молекул тела энергий в двух сопряжённых парах: энергия возбуждения – энергия связи, кинетическая энергия – «собственная» энергия. В полном согласии с законом сохранения энергии.
Хотите ещё примеров, когда процессы весело идут МИМО начал термодинамики – да пожалуйста.
Поскольку в опытах с калориметрами не получалось подтвердить именно вселенский размах применимости Первого и Второго Начал термодинамики, то теоретики ухватились за «замкнутые» системы. Вот, мол, применительно к ним всё в наших Началах сходится. Посмотрим, так ли? Вот Первое Начало однозначно утверждает, что температура тела не может измениться в результате каких-нибудь внутренних процессов в этом теле. Т.е., чтобы любая замкнутая система изменила свою температуру, в неё нужно ВКАЧАТЬ ИЗВНЕ тепловую энергию или совершить над ней работу опять же ИЗВНЕ. Вселенский закон, мол, и точка.
Но ведь это шутка, таких процессов полным-полно!
Самым жутким в ряду злостных нарушений первого начала термодинамики являются все химические реакции, как экзотермичекие, так и эндотермичекие, которые без затруднений протекают в условиях термоизоляции от окружающей среды. Вот, скажем, начинается реакция с "выделением" тепла. А выделяться ему некуда: термоизоляция мешает. Ладно, греет зона реакции саму себя, не пропадать же добру. Но, в случае реакции с "поглощением" тепла, всё получается гораздо веселее – неоткуда его поглощать в условиях термоизоляции. Каков смысл формулировки «реакция с поглощением тепла», если единственным тепловым результатом является охлаждение зоны реакции? Это умудриться надо: так «поглощать тепло», чтобы при этом охлаждаться! Заметьте, мы сейчас не уточняем источники тепловых эффектов химических реакций. Мы просто говорим о ситуациях, когда тепловой эффект есть, а передачи тепла или совершённой работы – нет. Укладывается это в первое начало термодинамики? Никоим образом!
А вот ещё – тоже известный случай: электрическая цепь, по которой течёт ток. Особенно, когда источником тока является аккумулятор. Проводники имеют ненулевое сопротивление, и в них выделяется джоулево тепло. Это называется «тепловое действие тока». Опять же, никакой передачи тепла при этом не происходит. Если бы она происходила, то тело, которое отдавало бы тепло, охлаждалось бы. Но мы не обнаруживаем такого тела: нагревание есть – всей цепи, в том числе и источника тока – а охлаждения нет. Что же мы видим? Происходит нагрев, когда нет передачи тепла, да и работа над электрической цепью, очевидно, не совершается. Опять, тело само себя греет. Опять, первое начало термодинамики оказывается не при делах!
Так ведь и это не всё. Выделение тепла при радиоактивных распадах атомных ядер тоже происходит, начхавши на первое начало термодинамики. Чудны дела ваши, господа теоретики! И вы ещё нам вдалбливаете, что первое начало термодинамики выражает собой фундаментальный принцип: невозможность вечного двигателя первого рода! А ваше «первое начало» - уже трижды подкачало! Но это, если считать группами: все десятки тысяч разнообразных химических реакций – за одну, все десятки тысяч электрических цепей – за одну, всё разнообразие радиоактивных элементов – за один, а если считать, так сказать, поштучно – то подкачало триста тридцать три тысячи раз! Эх, дяденьки учёные. Этот ваш прокол, конечно, можно извинить роковым стечением исторических обстоятельств: «первое начало» было сформулировано в эпоху паровых машин. Да, для паровозов и пароходов оно сошло за милую душу. Но технический прогресс-то не стоял на месте. Появились теплоходы и тепловозы, трамваи и электровозы, да ещё и мирные ядерные реакторы… А первое начало термодинамики так и зависло на правах догмата. Ай-яй-яй.
Вот и посудите, каково оно кидаться современным теоретикам в построение теории Большого Взрыва, устройства Чёрной Дыры, "струны" и "суперструны", если само основание всех базовых «канонических» физических моделей (теорий) иллюзорно. Сто летние и двухсот летние физические гипотезы (прогрессивные на тот момент) сейчас оказались НЕСОСТОЯТЕЛЬНЫ перед наплывом новых экспериментальных фактов. Но сказать обо всём этом: «А король то голый!» - официальная академическая наука так и не решается. С одной стороны, это понятно, сразу будет им встречный вопрос: «А ЧЕМ вы тогда занимались все эти годы?». Но и с каждым годом эта ситуации будет всё напряжённей и напряжённей, как отложенный взрыв информационной атомной бомбы.
