Горшков Юрий Иванович
25 декабря 2016
3131

К вопросу о термодинамике и атомно-молекулярной физике

В статье излагается новый взгляд на основные постулаты, принятые сегодня в термодинамике и атомно-молекулярной физике. Является продолжением материала, изложенного в статье «Так что же такое реальный газ?» Общепринято, что вокруг точечного электрического заряда образуется электрическое поле. В каждой точке такого поля имеется напряжённость, которая равна по величине количеству заряда, поделённому на квадрат расстояния от точки, где сосредоточен заряд, до конкретной точки его поля вне заряда. Обычно, мысленно, «точечный» заряд окружают сферами при исследовании электрического поля. В любой точке каждой такой «сферы» напряжённость поля направлена по радиусу из сферы наружу, если заряд положительный, и внутрь сферы, если заряд отрицательный, и равна величине заряда, поделённой на квадрат радиуса сферы. Итак, если пространство обладает тем свойством, что в каждой его точке на электрический заряд, внесённый в это пространство, действует сила, такое пространство называют полем, а силу, действующую на единичный положительный заряд – напряжённостью электрического поля. В электрическое поле можно внести заряд любой величины, тогда силу, действующую на этот заряд можно (нужно) рассматривать как давление внешней среды в конкретной точке пространства на данный заряд (энергетическое формообразование).
 Несколько слов о концептуальной энергетической теории реальных газов, предлагаемой читателю

Общепринято, что вокруг точечного электрического заряда образуется электрическое поле. В каждой точке такого поля имеется напряжённость, которая равна по величине количеству заряда, поделённому на квадрат расстояния от точки, где сосредоточен заряд, до конкретной точки его поля вне заряда. Обычно, мысленно, «точечный» заряд окружают сферами при исследовании электрического поля. В любой точке каждой такой «сферы» напряжённость поля направлена по  радиусу из сферы наружу, если заряд положительный, и внутрь сферы, если заряд отрицательный, и равна величине заряда, поделённой на квадрат радиуса сферы. Итак, если пространство обладает тем свойством, что в каждой  его точке на электрический заряд, внесённый в это пространство, действует сила, такое пространство называют полем, а силу, действующую на единичный положительный заряд – напряжённостью электрического поля. В электрическое поле можно внести заряд любой величины, тогда силу, действующую на этот заряд можно (нужно) рассматривать как давление внешней среды в конкретной точке пространства на данный заряд (энергетическое формообразование).

Обратимся  к структуре, которую представляет собой АТОМ.    Атом обычно представляют как некую сферу, в «центре» которой расположено ядро – положительный заряд и «облако», окружающее ядро, состоящее из отрицательно заряженных электронов, летающих вокруг ядра по определённому закону (закономерности) в электрическом поле ядра.

Система, называемая атомом, находится в равновесном состоянии. Равновесное состояние такой системы сохраняется в довольно широком диапазоне давлений внешней окружающей среды. Надо отметить, что равновесное состояние системы-атома не стационарное, оно весьма динамичное, связанное, прежде всего, с движением электронов вокруг положительно заряженного ядра. При достижении больших критических давлений внешней среды – структура системы-атома нарушается в виде слияния ядер соседних атомов, образования новых химических элементов,  с «выделением» огромной кинетической энергии.  При весьма низких давлениях окружающей среды происходит распад системы-атома на отдельные части.  

Итак, устойчивое состояние структуры атома обеспечивается состоянием внешнего энергетического поля, видимо, в первую очередь в наших условиях, энергетического поля  Солнца (поля, в структуре которого находится планета Земля и её составляющие вещества).

Как отмечалось ранее, образование структур типа атома происходит в определённых условиях в полном соответствии с величиной давления внешней среды, как правило, в условиях планетных образований. Это образование вынужденное. Малейшее снижение давления и атомы увеличивают свой «радиус» (радиус своего энергетического поля).

Казалось бы, отрицательно заряженный электрон под действием силы притяжения к положительному заряду должен был бы упасть на ядро. Но этого не происходит, так как в этом случае произошло бы увеличение плотности «материи». Окружающая среда этого не позволяет, то есть электрон, «разбежавшись» в сторону ядра, с таким же успехом возвращается обратно. Его движения, конечно, не прямолинейны и, в общем виде, их можно характеризовать как «хаотические», в том числе и круговые. Но, в то же время,  давление окружающей среды не позволяет ему далеко «убежать». И цикл повторяется. Следовательно,  можно говорить о равенстве внешнего давления окружающей среды и внутриатомного давления, которое и обеспечивает устойчивое состояние структуры, называемой Атом!   Величина внутриатомного давления связана прямой зависимостью с величиной кинетической энергии внутренней пульсации атома. Следовательно, определённой величине давления внешнего энергетического поля соответствует вполне определённая величина (внутри) атомного давления. Или, иначе, определённой величине напряжённости внешнего энергетического поля соответствует вполне определённая величина напряжённости (внутри) атомного энергетического поля. То есть, напряжённость энергетического поля атома величина переменная, не смотря на то, что положительный заряд ядра атома величина «постоянная». Это проявляется в довольно широком диапазоне величин внешнего давления.

Как говорил один из физиков, Е.Городецкий, устойчивость равновесия и колебания тесно связаны друг с другом. Всякий раз, когда  в физике заходит речь о поведении или свойствах системы вблизи её положения равновесия, возникает задача о колебаниях, или, как её часто называют, задача об осцилляторе (от латинского oscillo – качаюсь).  К осциллятору сводится большое число проблем современной физической науки. По его словам, устойчивое равновесие характеризуется тем, что энергия системы в этом положении «минимальна». Именно благодаря этому и возникают колебания. В системе при этом возникают силы, стремящиеся вернуть её обратно (уменьшить энергетику). При описании любого физического явления энергия играет, пожалуй, самую фундаментальную роль. Закон сохранения энергии сильно ограничивает возможные типы движения. Более того, надо сказать, что колебания не есть один из типов движения в ряду многих других, а представляют собой фундаментальное явление, элемент того таинственного «алфавита», с помощью которого природа создаёт всё, что нас окружает.  (Не плохо подмечено!)

Известно, что каждый электрический заряд (заряженное тело, заряженная частица) окружён электрическим полем. Если в таком поле находится другой заряд, на него действует «электрическая» сила. Вокруг всякого движущегося электрического заряда существует, кроме того, магнитное поле. Оно действует на любой другой движущийся заряд «магнитной» силой.  Физики не могут ответить на вопрос, почему между зарядами действуют электрические силы притяжения и отталкивания. Хотя физики и стремятся выяснить не только, как происходит то или иное явление, но и почему оно происходит так, а не иначе. На поставленный так вопрос, пожалуй, дают только такой ответ:    так устроен мир!      (А. Кикоин, 1996 г.).

Итак, структура атома представляет собой (внутреннюю) колебательную систему. При постоянных внешних условиях эти колебания носят гармонический характер. Опытным путём установлено важное отличие гармонических колебаний от любых других, которое  состоит в том, что их частота зависит от параметров системы, но не зависит от амплитуды. Это величайшее заключение, ключевое для важнейших выводов в дальнейшем, связанных с поведением атомов. Сделав такое заключение, совсем не важно, в конце концов, по каким траекториям перемещаются электроны. Главное то, что имеют место колебания (внутренняя пульсация) атомной оболочки. Не исключено, что и само ядро участвует в этом процессе не в малой степени, так как любое воздействие одного тела на другое вызывает соответственно колебания и его. Внутренние колебания системы-атома носят сферический характер. Именно поэтому можно говорить о пульсации атома. Атом – это энергетически живой организм. Атом – это пульсирующее энергетическое (электромагнитное) поле. Атом в определённых условиях внешней среды можно считать примером вечного двигателя.

Самым замечательным  свойством импульса тела состоит в том, что общий импульс замкнутой системы  (т. е. векторная сумма импульсов всех тел системы) остаётся неизменным при любых взаимодействиях и любых движениях тел этой системы.  Это - закон сохранения импульса. Известно, что закон сохранения импульса позволяет решать некоторые задачи механики даже тогда, когда неизвестны действующие на тела силы. Примером этого может служить упругое столкновение шаров. При столкновении их происходит так называемый центральный (лобовой) удар. Атом, или более правильно, энергетическое поле атома представляет собой абсолютно упругое «тело».

Импульсом (или количеством движения) тела называют физическую величину, определяемую произведением  её массы на вектор скорости тела. Считают, что это относится только к точечному телу, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с характерными размерами изучаемой физической системы. Атом отвечает и этому условию точечного тела при рассмотрении макроскопических явлений.

Надо сказать, что это идеальный вариант данного физического явления  по отношению к такому телу, как атом.   Атом, как пульсирующее энергетическое поле, вольно или невольно сталкивается с соседними атомами. Эти соударения носят идеально упругий характер. При этом, соударения шарообразных форм всегда носят характер центрального удара. В условиях постоянства условий внешней окружающей среды величина внутренней пульсации атомов сохраняется постоянной и колебания атомов однородного  реального газа от соударений успокаиваются, принимая минимальную оптимальную величину, характерную для соответствующего давления внешней среды. Это состояние характеризуется равномерным  распределением атомов в определённом объёме, то есть сейчас такое состояние характеризуют как «состояние термодинамического равновесия». Это относится и к случаю неоднородных реальных газов, в которых, в основном, каждая фракция равномерно распределяется в объёме смеси в полном соответствии с, так называемыми, парциальными давлениями их.  

Предлагаемое понимание поведения атомов в корне меняет представление об атомно-молекулярной теории газов  (реальных газов), в том числе и при рассмотрении всего одного, например, атома,  как энергетического формообразования. При этом нет необходимости вводить модель некоего идеального газа.

Во Вселенной действует основной Закон энергетического (кинетического) равновесия, потому А.Шилейко и назвал «природу ленивой, так как всякая физическая система стремится принять то состояние, в котором она обладает наименьшей энергией», (кинетической энергией внутренней пульсации).  

  Ещё раз о температуре!

Сегодня мы имеем такую характеристику ситуации, связанной с понятием «температура».

Понятие температуры вводится для характеристики различной степени «нагретости» тел. Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий. Чувственная оценка сильно зависит от теплопроводности тела.

Считают, что «теплота» это форма энергии, это мера общей внутренней энергии, содержащейся в теле. А температура это мера уровня «тепловой» энергии.  Такая трактовка  даётся в учебной литературе Кембриджского университета Англии. Российские физики это положение «уточняют»:  температура это мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул, а количество «теплоты» это мера лишь изменения внутренней энергии тела. Это довольно принципиальное различие в подходе к понятиям «теплоты» и «температуры», не в пользу трактовки российских физиков.

Надо считать, что первая трактовка отвечает более реальной картине устройства «материи». В статье «Об энергетической теории реальных газов!» была показана принципиальная точка зрения на то, что считать температурой: «температура – это безразмерная относительная величина, отражающая состояние кинетической составляющей внутреннего энергетического потенциала атомов в зависимости от параметров окружающей среды, и в первую очередь от внешнего давления. Так как выше установлено, что атомы – это пульсирующие энергетически живые организмы, то можно говорить, что «температура» - это показатель уровня  кинетической энергии внутренней пульсации атомов. При температуре, равной «абсолютному нулю» внутренняя пульсация атомов прекращается. При «бесконечном» снижении внешнего давления пульсация атомов увеличивается и, достигнув некоего критического  уровня, характерного атомам разных элементов, атомы распадаются на части или даже на элементарные «частицы». В условиях атмосферного давления на поверхности Земли это явление человек наблюдает на примере  распада сверхтяжёлых химических элементов. Только это показывает, что желание получать всё более и более тяжёлые химические элементы – это пустая трата времени и ресурсов.

Величина «абсолютного нуля» для разных атомов различна, то есть величина температуры, при которой прекращается внутренняя пульсация атома, для атомов разных элементов различна. Поэтому, возможно, что температурной характеристикой состояния внутренней пульсации атомов может быть более приемлемой, более правомерной шкала температур Цельсия. Ведь вода – это «кислота» и одновременно «основание» (НОН), на основе которой развилась «жизнь» на планете Земля, и только поэтому она воспринимается нами нейтральной средой, и только поэтому она может служить началом отсчёта всего остального (для человека). Существующие принципы и приборы, применяемые для определения конкретных значений температур, представляют собой великолепные достижения человечества и могут получить дальнейшее развитие с учётом несколько новой трактовки внутренней кинетики атомов.

Ещё раз о «теплоте»!

Исторически сохранившееся понятие «теплоты» хорошо характеризует величину кинетической энергии внутренней пульсации атомов. «Теплота» – это мера общей  кинетической энергии внутренней пульсации атомов. В соответствии с законом Энергетического кинетического Равновесия энергия внутренней пульсации более активного атома (при взаимодействии) плавно «перетекает» в другой менее активный атом до момента полного выравнивания энергии внутренней пульсации каждого из них. (По закону сохранения импульса системы).

Допустим, в некотором изолированном объёме газа, находящемся в термодинамическом равновесии, каждый атом или молекула имеют одинаковую величину кинетической энергии внутренней пульсации. При внесении в этот объём газа хотя бы одного атома, обладающего несколько большей величиной кинетической энергии внутренней пульсации (более «нагретого»), произойдёт «передача» части этой кинетической энергии его внутренней пульсации  атомам исходного газа. Процесс будет происходить до полного выравнивания энергии внутренней пульсации атомов газа в новом составе, то есть до полного нового термодинамического равновесия с несколько большей температурой смеси. Это и есть процесс «передачи» теплоты от одного «тела» другому. Абсолютно упругий удар – вот основной инструмент, «используемый» во взаимодействиях пульсирующих энергетических полей атомов (и молекул). Результатом такого взаимодействия и является выравнивание величин кинетических энергий внутренней пульсации атомов (молекул).

При существующей трактовке понятия «теплоты», говорят, что не имеет смысла говорить о «тепловом» движении, когда система состоит из одного или небольшого числа атомов.   Но ведь это нонсенс, господа!   Если понятие «теплового» движения нельзя применить к одному атому, то оно не объективно и к многоатомному газу или телу.

Сегодня, для характеристики состояния «материи» в газовой фазе применяют теоретическую модель идеального газа. Идеальным называют газы, которые строго подчиняются законам Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Эти законы выражают уравнениями:

PV = CT;  и   PV = PoVo(1+at);     где:

Р  -  давление, при котором находится рассматриваемый газ;

V  -  объём, ограниченный, например, стенками сосуда;

Т  -  температура, при которой находится газ в сосуде;

С  -  постоянная  величина, зависящая только от массы и химической природы газа;

Ро и Vо – давление и объём газа при температуре  t =ОоС;

t = Т – 273.15оС;

а  -  постоянный коэффициент, численное значение которого приближённо равно +1/273,15*К-1;   Его называют температурным коэффициентом  объёмного расширения газа; Считается, что для идеальных газов коэффициент объёмного расширения и термический коэффициент давления совпадают.

Термический коэффициент давления газа   В = (P – Pо)/(t – tо);  то есть,  отношение приращения давления газа к приращению температуры газа.

Необходимо отметить, что в действительности, давление и температура величины, имеющие обратную зависимость. Если внешним воздействием повышать давление внутри газа, его температура понижается, если внешним воздействием снижать давление внутри газа, температура газа повышается !!!  Невероятно, но это так!  

Считается также, что для всех идеальных газов коэффициент  «а»  один и тот же. При этом оговариваются, что вышеприведённые уравнения, устанавливающие линейную связь между произведением PV  и  температурой, не выражают какого-либо физического закона, а являются лишь следствием выбранного способа построения температурной шкалы. И дальше (говорят):   в поведении реальных газов наблюдаются отступления от законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, и, при этом не одинаковые для различных газов.

Считается, что уравнение состояния принадлежит к числу важнейших характеристик макроскопических свойств физически однородных тел. Его нельзя вывести теоретически из общих законов термодинамики. Термодинамика заимствует уравнение состояния либо из опыта, либо из статистической физики, где они могут быть выведены теоретически.

Новое понимание поведения атомов в составе газов должно  стать основой для новых научных исследований и новых математических зависимостей.

Изменению кинетической энергии внутренней пульсации атома соответствует изменение и «радиуса» атома (радиуса энергетического поля атома). Увеличение кинетической энергии внутренней пульсации атомов и соответствующее «увеличение» радиуса атомов (радиуса энергетического поля атома, ограниченного полями соседних атомов) собственно и создаёт дополнительное давление (повышение давления) газа на стенки замкнутого сосуда, в котором находится газ.  Сейчас же считают, что давление газа на стенки сосуда есть результат ударов молекул (или атомов), беспорядочно движущихся с «тепловыми» скоростями. Это принципиально неверная позиция.  

При повышении температуры (увеличении кинетической энергии внутренней пульсации) атомов вещества наблюдается увеличение объёма тел из этого вещества. Это происходит из-за увеличения диаметров атомов (диаметров энергетических полей атомов), а не просто из-за увеличения внешнего колебательного движения атомов. Увеличение внешних колебаний атомов или молекул происходит только в период «перераспределения»  величин  энергии внутренней пульсации атомов до наступления нового уровня термодинамического равновесия. При наступлении такового,  внешние колебательные движения вновь успокаиваются до оптимальной величины, соответствующей новому давлению внешней среды. Бестолковой беготни не может быть по существу. В соответствии со вселенским Законом энергетического кинетического равновесия все движения атомов и молекул вполне закономерны и происходят до момента выравнивания величин силового воздействия атомов друг на друга. Остаточные внешние колебательные движения атомов и молекул в состоянии динамического равновесия присутствуют, так как внутренняя пульсация  атомов  и молекул имеет место быть. Внешние колебательные движения прекращаются  только при наступлении «нулевой» термодинамической температуры,  своей  –  для атомов соответствующих химических элементов.

 

О первом начале термодинамики

Первое начало термодинамики, как это сейчас считают, выражает принцип сохранения энергии для тех макроскопических явлений, в которых одним из существенных параметров явлений, определяющих состояние «тел», является температура.

И это правильно! Это открытие относится к 40-ым годам  ХIХ века, когда было установлено, что «теплота» – не вещество,  а какое-то внутреннее движение тела.

Понятие о внутренней энергии тел или о «тепловой» энергии ввели  Майер (1814 – 1878);  Джоуль (1818 – 1889);  Гельмгольц (1821 – 1894) и другие учёные, с именами которых связывают открытие  принципа  сохранения  энергии  в его общефизическом смысле.  Всякое тело с атомистической точки зрения является консервативной системой колоссального числа частиц – атомов и молекул. Для такой системы, считали, что механический закон сохранения энергии справедлив, но только при непременном условии, что к энергии макроскопического движения добавляется энергия беспорядочного атомно-молекулярного движения. Это последнее движение и считают «тепловой» энергией.

Ошибка такой трактовки состоит в том, что к поведению атомов и молекул в своём взаимодействии стараются приложить понятия механического закона сохранения энергии. Надо сказать, что механический закон сохранения энергии является всего лишь следствием Закона Энергетического кинетического Равновесия во Вселенной.         Закон Энергетического кинетического Равновесия  управляет всеми движениями «материи» во Вселенной в сторону их снижения до оптимального уровня.    

В соответствии с этим первое начало термодинамики надо бы сформулировать так, что оно выражает принцип сохранения энергетического кинетического равновесия для тех макроскопических явлений, в которых одним из существенных параметров, определяющих состояние тел, является температура, то есть как величина кинетической энергии внутренней пульсации атомов.

Общеизвестно, что вокруг точечного электрического заряда образуется электрическое поле. В каждой точке этого поля имеется напряжённость, которая равна по величине количеству заряда, поделённому на квадрат расстояния от точки, где сосредоточен заряд, до данной точки. Следовательно, напряжённость поля - это сила, действующая на заряд, внесённый в это поле. Подобная ситуация и имеет место между смежно расположенными атомами. Направлена вышеуказанная сила от положительно заряженных ядер атомов. Атомы стремятся оттолкнуться  друг от друга и как можно дальше. Не даёт этому произойти давление внешней окружающей среды.  Величина силы (электромагнитного) взаимодействия определяется величиной давления  внешней окружающей среды. Например, при некотором внешнем давлении «Р»,  радиус атома  (энергетического поля атома)  «R»;  При уменьшении давления внешней среды на  величину  dP  радиус  «энергетического поля атомов внешней среды» увеличится на  dR, на величину, которую можно рассматривать как величину деформации объёма энергетического поля атомов внешней среды.  При этом, атомы какого либо газа, находящегося в замкнутом сосуде, сохранят размеры радиуса энергетических полей своих атомов неизменными. Но стремление увеличить их величину возникает по аналогии с атомами газа внешней среды.

В данном случае, если рассматриваемый газ находится в замкнутом объёме, то величину dR атома надо рассматривать, как величину деформации «сжатия» атомов (энергетических полей их) этого газа. Этой величиной деформации «сжатия» атомов газа и определяется суммарная величина давления на стенки сосуда с внутренней стороны. При этом надо помнить, что никакого увеличения внешней подвижности этих атомов не происходит.

Данное представление о природе вещей говорит о том, что равновесное состояние физически однородного и изотропного «тела» в условиях свободного космического пространства полностью определяется заданием двух параметров – давления и температуры (величины кинетической энергии внутренней пульсации атомов газа).  Объём, как один из параметров состояния газа применим лишь тогда, когда конкретный объём газа располагают в замкнутом пространстве (сосуде).  Это физический взгляд на явления с газами.

Например,  можно рассмотреть ситуацию, применительно к  зависимости  изменения объёма от давления, в свете предлагаемой энергетической теории реальных газов, при постоянной температуре:

Если первоначальный объём газа, находящегося в замкнутом цилиндре, увеличивать незначительно (путём перемещения поршня),  то будет наблюдаться (искусственное) понижение давления внутри цилиндра. Атомы газа, радостно принявшие эту процедуру, будут расширяться в объёме и, следовательно, повышать свою кинетику внутренней пульсации, то есть «нагреваться»,  забирая  «тепло» от стенок цилиндра, то есть  по закону равновесия забирать часть внутренней кинетики пульсации атомов стенок сосуда.   Соответственно, будут «охлаждаться» стенки сосуда и воздух, окружающий цилиндр, или тела, соприкасающиеся с цилиндром. Обычно, наблюдая охлаждение стенок цилиндра, считают, что воздух внутри цилиндра охлаждается и забирает «тепло» у стенок цилиндра, что принципиально неверно.  В данном примере, конечно, работу совершил поршень, так как инициатива расширения газа происходила от него, а не от газа. Но газ всё же совершил работу, так как  внутреннее давление атомов газа, стремящееся расширить объём энергетических полей атомов, помогало поршню подниматься. Поэтому графически этот изотермический процесс изображается кривой с обратно пропорциональной зависимостью (в виде вогнутой вниз кривой, так как изменение «температуры» газа происходит с запаздыванием). Если процесс расширения газа проводить замедленно (квазистатически),  то график будет представлен прямой линией.

Если теперь совершить обратный ход поршня в первоначальное положение, приложив к нему соответствующую силу, то процесс перехода газа в новое состояние изобразится кривой, также с обратно пропорциональной зависимостью (то есть в виде выпуклой вверх кривой, так как, опять же, изменение «температуры» газа будет проходить с запаздыванием). Это значит, что для уменьшения объёма газа в цилиндре потребуется большая суммарная сила и, соответственно, большая суммарная работа, так как сжатию газ будет сопротивляться. При этом газ «охлаждается», нагревая стенки сосуда и окружающую среду.  Видимо, это может показаться невероятным, но это так!

Чтобы вышеописанные процессы происходили квазистатически, чтобы процессы изменения давления, температуры и объёма происходили весьма равномерно, то есть состояли из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия, необходимо определённое время перехода из первоначального состояния в конечное и наоборот. В принципе, это время можно определить, зная коэффициенты теплопроводности самого газа, вещества стенок цилиндра и окружающего цилиндр воздуха или примыкающего материала. В этом случае процессы должны проходить очень медленно. Для ускорения квазистатических процессов  нужны искусственные подвод или отбор «тепла» от цилиндра.

Как было уже отмечено ранее, сегодня под понятием внутренней энергии какой-либо системы в термодинамике называют функцию состояния, приращение которой во всяком процессе, совершаемой в адиабатическом процессе (без обмена «тепловой» энергией с внешней средой), равно работе внешних сил над системой при переходе её из начального равновесного состояния в конечное, тоже равновесное состояние. Или, внутренней энергией системы в каком-либо (равновесном) состоянии называется работа, которую должны совершить внешние силы, чтобы любым возможным адиабатическим путём перевести систему из нулевого состояния в рассматриваемое.

Такое понимание внутренней энергии охватывает только ту часть внутренней энергии, которая переходит от одной системы к другой, то есть, пользуясь прежними понятиями, речь идёт только о количестве «теплоты», передаваемой от одного тела другому. В этом формулировании старое понятие «теплоты» завуалировано новой формулировкой с применением слова «энергия».

Мы же говорим о внутренней энергии как о полной кинетической энергии  внутренней пульсации атома, которая равна нулю только при «нулевой» термодинамической температуре. А передача «теплоты» от одного тела другому понимается как процесс выравнивания кинетики внутренней пульсации атомов одного «тела» и внутренней пульсации атомов другого «тела». То есть, имеется в виду как бы переход части внутренней кинетической энергии пульсации атомов или молекул более «нагретого» тела менее «нагретому» телу. Такое видение «теплоты» становится понятным, внятным, не требующим больших завихрений ума, чтобы представить, о чём хочет сказать классическая термодинамика или квантовая механика.

Сейчас математическая формулировка первого закона термодинамики представляется так:

Q = U2 – U1 + A1,2 ;           то есть «теплота», полученная системой, идёт на приращение её внутренней энергии и на производство внешней работы. То есть, это закон сохранения энергии в термодинамических процессах.

Явления, происходящие в системе при постоянном объёме, характерны тем, что работа (газа) равна нулю, тогда:   Q = U2 – U1 = dU;

Если же постоянное давление, то:   A1,2 = P(V2 – V1) = d(PV);   то есть:  Q=dU+d(PV);   обозначив через  I = U+PV , называемой как энтальпия («тепловая» функция), получается, что  Q = I2 – I1 = dI   (при Р – const).

Энтальпия – это функция состояния, приращение которой при изобарическом процессе, даёт «теплоту», полученную системой. То есть, если объём системы остаётся постоянным, то количество «теплоты»  Q  равно приращению внутренней энергии системы. Если же постоянным остаётся  давление, то состояние системы выражается приращением энтальпии (так сейчас говорят).

Итак, при сохранении объёма газа постоянным, сообщённая ему (как сейчас говорят) «тепловая» энергия переходит во внутреннюю энергию системы (без уточнения - какую конкретно энергию).

В свете нового представления о кинетике внутренней пульсации атомов, можно считать, что, так называемое, «повышение внутренней энергии», при сохранении объёма постоянным,  есть не что иное, как повышение внутреннего давления атомов.  При этом  должно было быть повышение кинетической энергии внутренней пульсации атомов, а, соответственно, и увеличение радиусов их энергетических полей, но этого не происходит из-за искусственного сохранения размера объёма. То есть возникает ситуация нарушения «термодинамического» равновесия с условиями внешней среды.  Как было указано выше, величина внутреннего давления может быть определена через величину «деформации» радиусов энергетических полей атомов (dR) до и после происхождения соответствующих процессов). Надо при этом помнить, что соответствующей величине давления внешней среды соответствует и определённое количество атомов (или молекул) в единице объёма внешней среды, а тем самым и соответствующие размеры  энергетических полей их (в условиях газовой среды).

В случае процесса, происходящего при постоянном давлении (как сейчас говорят), происходит приращение энтальпии. Что же происходит в действительности. При поддержании постоянным давления, сообщаемая газу «тепловая» энергия соответственно увеличивает кинетическую энергию внутренней пульсации атомов, и при этом увеличению объёма газа «ничего» не препятствует. Увеличение пульсации атомов при этом, конечно, явление искусственное. Усиление пульсации, как бы, является следствием увеличения внутреннего давления атомов, но так как его ничто не сдерживает, энергетическое поле каждого атома «увеличивается». Соответственно этому сила взаимодействия атомов в местах контактов сохраняется неизменной, соответствующей давлению внешней окружающей среды.  Следовательно, сегодняшняя трактовка такого явления, как «повышение энтальпии», фактически является именно процессом свободного (не стеснённого) повышения кинетической энергии внутренней пульсации атомов.

То есть, в случае сообщения «теплоты» системе, при сохранении объёма имеет место повышение внутреннего давления атомов (так как естественному увеличению радиусов энергетических полей атомов препятствует заданный объём),  в то время как,  при сохранении внешнего давления постоянным и естественного  увеличении объёма имеет место повышение внутренней кинетической энергии пульсации атомов.

Именно такое понимание должно составлять первое начало термодинамики.

Здесь можно добавить:  сейчас считают, что «тепловой» эффект химической реакции зависит лишь от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от промежуточных стадий реакции». Это положение было установлено эмпирически в 1840 году русским академиком Гессом (1802 – 1850) ещё до открытия первого начала термодинамики, следствием которого оно является, и было названо  «законом Гесса». Если «тепловой» эффект определён при 25оС  и 760 мм рт. ст.,  то его называют стандартным. Например: Н2+О2/2 = Н2О + 287 кДж.,  это означает, что, скажем, при сгорании одного моля газообразного водорода с образованием одного моля жидкой воды выделяется 287 кДж «теплоты». Химические символы в уравнениях такого типа указывают не только на химический состав и количество соответствующих веществ, но и обозначают их энтальпии (или внутренние энергии, когда реакция идёт при постоянном объёме). То есть трактуют так, что сумма энтальпий газообразных водорода и кислорода больше энтальпии образовавшейся жидкой воды на 287 кДж.   Иначе можно сказать,  что кинетическая энергия внутренней пульсации атомов (молекул) водорода и кислорода при объединении  в  молекулу воды в сумме снижается  на 287 кДж.

 

Теплопроводность

Существует два вида пульсации атомов (и молекул):

1.  Внутренняя пульсация  =  как следствие внутренней жизнедеятельности атома;

2.  Внешняя  пульсация,  =  когда атом совершает колебательные движения под воздействием других атомов (или молекул).

На процессы, связанные с передачей «теплоты», то есть с передачей внутренней кинетической энергии атомов, основное  влияние оказывает явление внутренней пульсации атомов.

На процессы, связанные с передачей импульса, то есть с распространением  электромагнитного излучения, основное влияние оказывает явление внешней пульсации атомов.

Внутренняя пульсация атома определяется уровнем кинетической энергии её, который называется «температурой» атома (тела) и измеряется в условных единицах – градусах температурной шкалы. Внутренняя пульсация – это внутренняя кинетическая  (или «тепловая») энергия атома (вещества, тела). Фактически, температура характеризует степень возбуждения атомов. Атомы газа (даже неоднородного), находящегося в термодинамическом равновесии, обладают одинаковой степенью возбуждения (одинаковой температурой). Сила взаимодействия энергетических полей таких атомов одинакова по всем направлениям: чем ниже температура – тем слабее силы взаимодействия, чем выше температура – тем больше силы взаимодействия. Как ни странно, но это говорит о том, что «напряжённость» энергетического поля атомов (не электромагнитного)  величина переменная, не смотря на то, что заряд ядра атомов «не меняется». Что происходит при контакте атомов с разной степенью возбуждения (с разной температурой)?: энергетическое поле более возбуждённого атома, воздействуя на энергетическое поле менее возбуждённого атома, повышает его возбуждение за счёт снижения степени возбуждения собственного энергетического поля. То есть, происходит выравнивание степени возбуждения энергетических полей до уровня, когда силы взаимодействия их становятся равными.

Сейчас общепринято, мир состоит из электромагнитных полей! Как уже неоднократно отмечалось ранее, атом это энергетически живой организм. Его жизнедеятельность проявляется в постоянной внутренней пульсации. Внутренняя пульсация атома – это есть не что иное, как переменное электромагнитного поле. (Видимо, более правильно говорить об энергетическом поле, так как характеристика поля как электромагнитного, не полностью отражает существо явлений, связанных с изменением напряжённости поля). При взаимодействии атомов их электрические поля не меняются, так как никаких дополнительных зарядов не подводится. Изменяется при этом энергия магнитного поля атомов. Энергия магнитного поля атома равна половине произведения массы электрического поля атома на квадрат его скорости. Следовательно, изменяется скорость перемещения атома. Что и соответствует тому, что атом, при взаимодействии с другими атомами, совершает колебательные движения (то есть периодически меняет скорость перемещения от нуля до некоторого максимума).

Но в данном случае интересен факт, что магнитное поле одного атома, воздействуя на электрическое поле другого атома, само изменяется. Закон преобразования магнитного поля в электрическое такой же, как и закон преобразования электрического поля в магнитное (второй закон Максвелла). Так как электрическое поле атома не меняется, поэтому и движения электронов в атоме, в целом, колебательные, а не прямолинейно поступательные. «Амплитуда» колебания электронной оболочки  атома определяется давлением внешней окружающей среды, с одной стороны, и величиной заряда ядра (массы) атома, с другой стороны.

Отмечено, что магнитное поле всегда вихревое – нет у него ни начала, ни конца. Электрическое поле бывает и «линейным» и вихревым: когда оно образуется зарядом, оно потенциальное (линейное), а если электрическое поле образовано в результате изменения магнитного поля, то оно вихревое.

Меняется где-то напряжённость электрического поля – тут же возникает  поле магнитное. Наоборот, меняется где-то напряжённость магнитного поля – тут же возникает электрическое поле. Происходит это всегда, независимо от того, по какой причине меняется то или иное поле. Оно может изменяться всегда, когда движется заряд.

Всё это подтверждает существующее представление того, что внутренняя энергия газа состоит из кинетической энергии внутреннего движения атомов и молекул (пульсации), кинетической энергии поступательного и вращательного движений атомов и молекул (внешние колебания) и их потенциальной энергии.  Важно отметить факт, что при одинаковых условиях внешней окружающей среды энергия внутренней пульсации атомов любого химического элемента одинакова (в условиях термодинамического равновесия). Но в таких условиях внутренняя пульсация атомов разных химических элементов происходит с разной частотой и периодом колебания. Чем тяжелее атом, тем чаще пульсация его электронной оболочки, и тем меньше период колебания (пульсации).  Но величина импульса сил взаимодействия атомов, в условиях термодинамического равновесия, одинакова. Ведь закон сохранения импульса должен действовать.

При взаимодействии атомов газа, обладающих разной энергией внутренней пульсации, их энергии пульсации, в конце концов, вынужденно выравниваются до некоторой средней «температуры». Это и есть, говоря старыми формулировками, передача «тепловой» энергии от одного атома другому, от одного тела другому. В этом и состоит суть явления теплопередачи. При этом не важно, с каким объёмом веществ мы имеем дело, даже если это всего два разных атома, процесс всегда проходит одинаково. Разной является только скорость передачи: чем выше плотность «вещества», тем выше скорость «теплопередачи», так как более тяжёлые вещества (обладающие более тяжёлыми атомами) обладают атомами с большей частотой внутренней пульсации, а, следовательно, и большей теплопроводностью.

 

Теплоёмкость

Удельная теплоёмкость вещества тела определяется как количество «теплоты», которое нужно передать телу массой 1 кг для того, чтобы повысить его температуру на 1оК.  Различают, используют, теплоёмкости при постоянном объёме и при постоянном давлении.

Классическая теория теплоёмкости и теория квантовой механики вывели соответствующие математические формулы для определения величин удельных теплоёмкостей веществ. В теории квантовой механики такая формула была выведена  А. Эйнштейном. Обе формулы всё же не охватывают весь диапазон температур, для которых они верны. Формула классической теории оказалась верна только при высоких температурах. При этом согласие этих формул носит только качественный характер, количественно имеет место расхождение с опытом, то есть кривая изменения величин теплоёмкостей из опыта и из подсчёта по формулам значительно не совпадает. При этом говорят, что эти расхождения связаны, якобы, не с существом квантовой теории, а с упрощением расчёта, в котором предполагается, что все гармонические осцилляторы колеблются с одной и той же частотой. В квантовой теории можно услышать такие формулировки, что при низких температурах основной вклад в теплоёмкость вносят низкочастотные колебания, которым соответствуют малые кванты энергии. Практически только такие низкочастотные «тепловые» колебания и возбуждены при низких температурах. Колебания с более высокими частотами, которым соответствуют большие кванты энергии, практически не возбуждены. Согласно теории  Дебая, вблизи абсолютного нуля теплоёмкость кристаллической решётки твёрдого тела пропорциональна  кубу  абсолютной температуры. При этом рассматривают разного рода теплоёмкости, например, вращательную теплоёмкость, теплоёмкость электронного газа (для случая с металлами). Применительно к металлам считают, что электроны практически не вносят никакого вклада в теплоёмкость. Считают, что электронный газ в металлах всегда вырожден, так как температуры вырождения для всех металлов составляют десятки тысяч градусов (?). Что электроны в металлах совершают весьма интенсивное квантованное движение, но совершенно не участвуют в беспорядочном тепловом движении. (?).  Энергия этого квантованного движения и давление определяются только концентрацией электронов. (Читая такие формулировки, сразу же вспоминаешь слово «схоластика» да и только, то есть полная бессмыслица).

Как было отмечено выше, при взаимодействии атомов газа, обладающих разной энергией внутренней пульсации, их энергии внутренней пульсации, в конце концов, вынужденно выравниваются до некоторой средней «температуры». Это и есть, говоря старыми формулировками, передача «тепловой» энергии от одного атома другому, от одного тела другому.  Но, говоря о теплоёмкости, важно отметить, что выравнивание  энергий внутренней пульсации атомов происходит тем быстрее, чем больше частота их внутренней пульсации. А это значит, что для «нагревания» веществ, состоящих из более тяжёлых атомов, как правило, требуется сообщать ему меньшее количество кинетической энергии внутренней пульсации для «нагревания» на один градус. Ведь чем тяжелее атом, тем больше частота его внутренней пульсации, тем быстрее происходит процесс передачи кинетической энергии.  

Теплоёмкость различных веществ различна и зависит от структуры атомов и молекул в веществе, и, соответственно, определяется скоростью передачи энергии внутренней пульсации одних атомов другим.

Надо отметить, что теплоёмкость при постоянном давлении больше теплоёмкости при постоянном объёме.

Ср – Сv = 1.986 кал/моль*К    =   8.30 Дж/моль*К;                                             

Сейчас эту величину называют механическим эквивалентом теплоты  или  универсальной газовой постоянной.

 Это можно объяснить тем, что для повышения температуры свободно расширяющегося газа (при постоянном давлении) требуется «сообщить» больше кинетической энергии внутренней пульсации (больше «теплоты»), так как часть внешней энергии, сообщаемой телу (газу) идёт на работу, на преодоление, например, атмосферного давления. При постоянном же объёме вся, сообщаемая телу «тепловая» энергия идёт на повышение внутреннего давления (и, следовательно, только на повышение его температуры).

Принципиальное отличие представленной концепции существа процесса теплопередачи от тела к телу и понятия теплоёмкости от существующей точки зрения на происходящие процессы состоит в следующем:

Сущность, например, адиабатического нагревания и охлаждения газа с точки зрения существующей молекулярно-кинетической теории, состоит в том, что при адиабатическом сжатии газ нагревается, а при адиабатическом расширении – охлаждается. И далее говорят, что раскрытие физического механизма этого, как и всякого другого, явления находится вне компетенции формальной термодинамики, но, что это дело молекулярно-кинетической теории. Но в изложении молекулярно-кинетической теории приводятся такие длинные формализованные рассуждения с применением, в том числе, понятий степеней свободы, что, вольно или невольно всё это воспринимается очень и очень надуманным, с чисто умозрительным обоснованием предлагаемого видения происходящего.

В представленной концепции всё видится  довольно простым и понятным. По какой бы причине газ ни расширялся, он всегда «нагревается», то есть у его атомов кинетическая энергия внутренней пульсации увеличивается. Надо отметить лишь, что при относительно быстром процессе искусственного расширения (не квазистатического) происходит запаздывание его «нагревания» из-за недостаточной скорости поступления «теплоты» со стороны «внешней окружающей среды». Это, возможно, может создать иллюзию временного «охлаждения» газа.  И, наоборот, при сжатии любого газа происходит «охлаждение» его атомов, то есть снижение кинетической энергии внутренней пульсации атомов, с отдачей «теплоты» во «внешнюю окружающую среду». Чтобы оба эти процесса происходили квазистатически, необходимо, чтобы скорость искусственного процесса расширения или сжатия газа соответствовала «суммарной» скорости теплопередачи (отвода или подвода «теплоты» с внешней  стороны) материалов «окружающей среды» и газа. А это, как раз, и определяется величинами удельных теплоёмкостей веществ, из которых состоят эти материалы окружающей среды и вида самого газа. Сейчас все подобные явления преднамеренно рассматриваются только как квазистатические, иначе, говорят, выводы о сути этих явлений должны  получатся неправильными. Это принципиально ошибочный подход к  определению существа «тепловых» явлений. При рассмотрении явлений только как квазистатических, как раз и теряется суть подобных явлений, так как за время их совершения как квазистатических, выравнивание внутренней энергии пульсации уже успевает произойти и естествоиспытатель видит лишь тишь да благодать и только.

Скорость передачи «тепла» от тела к телу различна при разных температурах их состояния.  Отмечено, экспериментально установлен факт, что при приближении к абсолютному нулю теплоёмкости (как при постоянном объёме, так и при постоянном давлении) всех тел стремятся к нулю, то есть и «теплопередача» при температуре абсолютного нуля  не происходит. И это понятно, ведь кинетическая энергия внутренней пульсации атомов в таком состоянии тоже равна нулю, так чему же передаваться?   Повышение удельной теплоёмкости атомов любых химических элементов при более высоких температурах состояния    можно объяснить тем, что всё труднее и труднее повышать кинетическую энергию внутренней пульсации атомов в условиях одного и того же давления внешней окружающей среды, то есть, в данном случае, в условиях постоянства атмосферного давления планеты Земля. Ведь, повышая температуру, мы «повышаем» давление внешней среды!  

Таковы основные положения предлагаемой концептуальной теории в рамках  теории «термодинамики». Подробное описание в книге "Современная научная картина мира" на sharedbook.ru

Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован