Давайте посмотрим, как мы пришли к современному представлению о «температуре» и всё ли в этом нашем представлении в полном порядке, т.е., в полном согласии с опытными и экспериментальными данными.
Так, средневековые философы придерживались удобной концепции о теплоте, как о «теплотворной материи». Теплотворная материя, как бы, перетекает 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). А температура, по наследству, стала мерой этой самой внутренней энергии.
Давайте посмотрим, остались ли какие-нибудь средневековые архаизмы, присущие представлению о теплотворной материи, которые могли перекочевать на современное представление о теплоте и температуре?
Едва ли можно составить ясное представление о том, что такое температура, на основе таких известных её определений, как «функция внешних параметров и энергии системы, которая для всех систем, находящихся в равновесии, при их соединении имеет одно и то же значение » [1], или, ещё лучше: «производная от энергии тела по его энтропии » [2]. Тут требуются ещё и толкования, которые, вкратце, таковы. Температура тела тем выше, чем больше интенсивность хаотического движения частиц, составляющих тело, и тем выше, чем больше средняя энергия квантовых возбуждений в теле. При приведении в тепловой контакт двух тел, имеющих различные температуры, т.е. «горячего» и «холодного», в процессе выравнивания их температур происходит преимущественная передача энергии от «горячего» тела к «холодному».
На основе подобных толкований может создаться впечатление, что температура – это мера энергосодержания. Такое впечатление ещё более укрепляется законом о равнораспределении тепловой энергии по степеням свободы: на каждую из них приходится, как полагают, энергия E= (1/2) kT, где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. Однако, обманчива видимость прямой пропорциональности между энергией и температурой. Энергия является величиной аддитивной, а температура – неаддитивной. При соединении двух тел, имеющих одинаковые энергии, мы получаем удвоенную энергию, но при соединении двух тел, имеющих одинаковые температуры, мы не получаем удвоенной температуры. Работает закон сохранения энергии, но не работает закон сохранения температуры. Каким же образом неаддитивная величина, температура, может быть мерой аддитивной величины, энергии?
Фундаментальное противоречие официальной термодинамики, на наш взгляд, устраняется, если допустить, что температура является не мерой энергии в той или иной форме, а мерой соотношения между величинами энергии в двух различных формах, которые образуют сопряжённую пару – их сумма остаётся постоянной, поскольку увеличение одной из них происходит за счёт уменьшения другой.
Приведём поясняющий пример. Полагают, что если атом возбуждается в результате поглощения кванта энергии, то суммарная энергия атома увеличивается на величину энергии возбуждения. На рисунке ниже показана, так сказать, официальная версия квантового переброса, как утверждается, энергии с атома на атом.
Нас как учили? Кванты света, мол, переносят и энергию, и импульс. И вот такой квант, излучённый атомом горячего тела, поглощается атомом холодного тела и, якобы, отдаёт ему свою энергию. При этом энергия возбуждения (как раз ответственная за температуру тела) у атома-приёмника кстати возросла на величину энергии этого кванта. Вроде тут всё сходится в рамках закона сохранения энергии. Но только вроде … Сошлось не всё!
Не следует забывать, что устойчивость атома имеет энергетическую меру: энергию связи – которая, на наш взгляд, принципиально положительна, как и любая форма физической энергии, которая непременно соответствует какой-либо форме движения. Из опыта достоверно известно, что, при возбуждении атома, энергия связи уменьшается на величину, равную энергии возбуждения. Т.е., в данном случае энергия возбуждения и энергия связи образуют сопряжённую пару энергий. По нашей логике, среднее положение «разделительных планок» между этими энергиями – для системы атомов – соответствует величине температуры. При «поглощении» и «излучении» квантов энергии атомом, всего лишь сдвигается положение этой «разделительной планки», но сумма энергии возбуждения и энергии связи у атома остаётся постоянной – равной энергии ионизации из основного состояния. Таким образом, при «поглощении» кванта, атом не приобретает энергию сверх той, которую он уже имел, а, при «излучении» кванта, атом не отдаёт нисколько из той энергии, которую он имеет.
См. на рисунок. Вот она, правда-истина про «передачу» энергии от атома-отправителя атому-приёмнику. Ещё раз для особо верующих в «ортодоксальную» термодинамику. Энергия возбуждения, ответственная за температуру, у атома-источника действительно уменьшилась, но(!) на такую же величину увеличилась энергия связи, а у атома-приёмника действительно энергия возбуждения увеличилась, но(!) на такую же величину уменьшилась энергия связи. Всё строго, в рамках закона сохранения энергии. Кванты света, излучаясь, не забирают у атома-отправителя нисколько энергии, а, поглощаясь, атомом-приёмником не передают ему нисколько энергии. Кванты света НЕ ПЕРЕНОСЯТ энергии!!!
Внимание! Если кто-то находит некорректными выше изложенные положения «цифровой» физики – пишите, указывайте на ошибочность рассуждений. Мы открыты к дискуссии.
По логике «цифрового» мира, происходят всего лишь скоррелированные квантовые скачки: у одного атома «разделительная планка» между энергиями возбуждения и связи перескакивает вниз, а у второго она перескакивает вверх – что порождает иллюзию передачи кванта энергии с одного атома на другой. Эти квантовые скачки происходят в полном согласии с принципом автономных превращений энергии квантовых пульсаторов: энергия связи у атома появилась за счёт уменьшения собственных энергий (т.е., масс) у связуемых электрона и протона, а энергия возбуждения у них появляется за счёт уменьшения их энергии связи.
В частности, при лазерной обработке образца, температура в зоне термического воздействия повышается, но при этом никакого переноса энергии в образец по лазерному лучу не происходит.
Согласно тому же принципу автономных превращений энергии, нельзя сообщить микрочастице кинетическую энергию, но можно превратить в её кинетическую энергию часть её собственной энергии. Таким образом, кинетическая и собственная энергии частицы образуют ещё одну сопряжённую пару энергий. И, по логике нашего подхода к понятию температуры, при увеличении средней кинетической энергии хаотического движения атомов, повышается температура системы из этих атомов. Но здесь, опять же, остаётся постоянной сумма кинетической и собственной энергий у каждого атома – при условии, что их энергии в других формах остаются прежними.
Суть понимания второй сопряжённой пары энергий - кинетическая и собственная энергии частицы базируется на положении НОВОЙ физики о том, что релятивистский рост МАССЫ, ЭНЕРГИИ, ИМПУЛЬСА – заблуждение теоретиков, которые однобоко (и предвзято) трактовали экспериментальные данные в пользу теории релятивизма. Не сильно углубляясь во многие положение НОВОЙ физики, немного познакомиться с материалами на эту тему можно в следующих двух статьях:
«Где же он, релятивистский рост массы (энергии, импульса)?» и
«Линейный ускоритель: очевидные свидетельства об отсутствии релятивистского роста энергии», см. отдельные файлы-вложения.
И так, мы говорим о двух сопряжённых парах энергий. В первую входит энергия квантового возбуждения атомарного электрона – в частности, энергия теплового квантового возбуждения – и энергия связи этого электрона; сумма этих энергий равна энергии ионизации из основного состояния. При равновесном распределении в этой сопряжённой паре, спектр энергий квантовых возбуждений в коллективе атомов – это и есть планковский равновесный спектр, вид которого зависит от единственного параметра: температуры, которую мы будем называть планковской.
Во вторую пару сопряжённых энергий входят кинетическая энергия атома и его собственная энергия, эквивалентная его массе. Действительно, недавние эксперименты Фана Лиангджао прямо свидетельствуют об отсутствии релятивистского роста массы у быстрых электронов и косвенно подтверждают нашу модель, в которой кинетическая энергия у частицы может появиться лишь за счёт убыли её массы. Т.е., сумма кинетической энергии частицы и энергии, эквивалентной её массе, равна энергии, эквивалентной её массе покоя. При равновесном распределении в этой сопряжённой паре, распределению кинетических энергий – например, у молекул в газе – соответствует максвелловское распределение по скоростям. Вид этого распределения зависит от температуры, которую мы будем называть максвелловской. Максимум планковского спектра всегда при любой температуре соответствует энергии 5kT, где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура – это наиболее вероятная энергия возбуждения при температуре Т. А максимум распределения Максвелла – kT - это наиболее вероятная энергия кинетического движения. Обращаем ваше внимание на интереснейший факт – наиболее вероятная энергия возбуждения атомов и молекул тела в ПЯТЬ (!) раз больше, чем наиболее вероятная кинетическая энергия движения тех же атомов и молекул. Это экспериментальные реалии, на которых обычно не заостряют внимание. А мы заострим. Первое, что мы видим – коэффициент пропорциональности между температурой и разными формами энергиями – разный! Хотя и та, и другая энергии из этих парочек ответственны за температуру тела.
Если у коллектива атомов спектр квантовых возбуждений несколько отличается от планковского равновесного (например, солнечный спектр), то можно говорить об эффективной планковской температуре – соответствующей максимуму имеющегося спектра. Аналогично, можно говорить об эффективной максвелловской температуре, соответствующей максимуму распределения по скоростям.
При состоянии теплового равновесия, максвелловское распределение и планковский равновесный спектр соответствуют друг другу так, что максвелловская и планковская температуры совпадают. Хотя, в общем случае, эти две температуры могут не совпадать. Это ясно из того, что известны воздействия, изменяющие либо только энергии квантовых возбуждений атомов, либо только их кинетические энергии. Например, Солнце, припекая земную почву, увеличивает её планковскую температуру – которая «подтягивает» за собой максвелловскую. Или ёмкость с водой греется на плите – у молекул воды увеличивается максвелловская температура, которая «подтянет» за собой планковскую температуру.
Если коллектив атомов, в котором создано неравенство максвелловской и планковской температур, предоставить самому себе, то почему он стремится восстановить их равенство, и каков механизм этого восстановления?
Самопроизвольное выравнивание максвелловской и планковской температур.
Из подхода к температуре, как к параметру у распределений энергий в сопряжённых парах, следует, что при выравнивании температур двух тел, находящихся в тепловом контакте, не происходит никакого нескомпенсированного перехода тепловой энергии – т.е. энергии неупорядоченного движения частиц – от горячего тела к холодному. Прирост тепловой энергии у нагревающегося тела черпается из его собственных ресурсов, а убыль тепловой энергии у охлаждающегося тела идёт на пополнение его же энергий в других формах. У атомов в обоих телах полные суммы энергий остаются при этом прежними, т.е. каждый атом остаётся при своём. Теплопередача, в традиционном понимании, не происходит, а происходят перераспределения в сопряжённых парах энергий – такие, что максвелловская и планковская температуры стремятся выровняться как у каждого из двух тел в отдельности, так и у обоих в совокупности. Когда такое выравнивание произойдёт, тела окажутся в тепловом равновесии друг с другом. То же справедливо и для теплового равновесия отдельного тела – если его части находятся в тепловом равновесии друг с другом.
Почему термодинамическая система самопроизвольно стремится к тепловому равновесию? Ортодоксальная физика не даёт вразумительного ответа на этот вопрос, прикрываясь мистическими придумками вроде «закона неубывания энтропии». Между тем, этот тёмный вопрос проясняется, если учесть, что в игре участвуют две температуры – максвелловская и планковская – а не одна, «просто температура», как это обычно полагают.
В самом деле, если при взаимодействиях атомов изменялись бы энергии только в сопряжённых парах «энергии квантовых возбуждений – энергии связи» (т.е., в привычных терминах, если происходил бы только радиационный энергообмен), то мы не усматриваем причин для того, чтобы, в такой ситуации, неравновесное распределение по энергиям квантовых возбуждений самопроизвольно превращалось в равновесное. Аналогично, если, например, молекулы в газе испытывали бы только абсолютно упругие соударения, с сохранением суммы кинетических энергий до и после соударения – то здесь мы также не усматриваем причин для того, чтобы неравновесное распределение по кинетическим энергиям самопроизвольно превращалось в равновесное. Ситуацию могут исправить взаимодействия, при которых у атомов происходят энергопревращения с участием как энергий квантовых возбуждений, так и кинетических энергий.
Такие взаимодействия известны: это, например, неупругие соударения. Они подчиняются законам сохранения энергии и импульса, но здесь допустимы определённые комбинации перераспределений энергий в обеих сопряжённых парах у участников соударения. Речь, например, об уменьшении кинетической энергии одного участника (и соответствующем увеличении его массы), и увеличении энергии квантового возбуждения у другого участника (и соответствующем уменьшении его энергии связи). Именно так, на наш взгляд, происходит ударное возбуждение атома. Нам представляется, что эволюцию системы к равновесному состоянию обеспечивает алгоритм, по которому результатом неупругого соударения является, по возможности, выравнивание у участников как энергий тепловых квантовых возбуждений, так и кинетических энергий. При этом распределения атомов по кинетическим энергиям и по энергиям тепловых квантовых возбуждений будут автоматически подстраиваться друг под друга, стремясь, соответственно, к максвелловскому и планковскому – и к совпадению максвелловской и планковской температур.
Выше мы говорили, что при температуре T, наиболее вероятная, т.е. соответствующая максимуму распределения, кинетическая энергия молекулы есть kT, где k – постоянная Больцмана, а наиболее вероятная энергия кванта теплового возбуждения есть 5 kT. Это означает, что, при перекрёстных перераспределениях энергий в вышеописанных неупругих взаимодействиях, одна единица кинетической энергии эквивалентна пяти единицам энергии теплового квантового возбуждения. Речь о том, что изменение кинетической энергии в сопряжённой паре одного участника сопровождается пятикратным изменением энергии возбуждения в сопряжённой паре другого участника – неупругие взаимодействия это вполне допускают.
В свете вышеизложенного, вопрос «Что является источником теплового движения молекул?» так же нелеп, как и вопрос «Что является источником теплового возбуждения атомов?» Если тело имеет конкретную температуру выше абсолютного нуля, то, благодаря неупругим взаимодействиям, тепловое движение и тепловые возбуждения наличествуют в нём по определению – потому что они первичны, а температура вторична.
Небольшое обсуждение.
В отличие от традиционного подхода, в котором нет внятного объяснения того, почему термодинамические системы самопроизвольно эволюционируют к состояниям теплового равновесия, наш подход даёт такое объяснение. Тепловое равновесие – это не просто состояние, при котором все части системы имеют одинаковую температуру; это состояние, при котором все части системы имеют одно и то же значение для двух температур: максвелловской и планковской. При контактных взаимодействиях частиц вещества, например, при неупругих соударениях, автоматически происходят перераспределения энергий у частиц, ведущие к выравниванию максвелловской и планковской температур – т.е., к равновесному состоянию.
Обе названные температуры являются не мерами энергии в той или иной форме, а параметрами статистических распределений энергий в их сопряжённых парах, поэтому для повышения температуры тела отнюдь не требуется заимствование энергии извне или совершение над телом работы – как требует первое начало термодинамики. Это «первое начало», сформулированное для описания работы пара в паровых машинах, категорически не работает ни при экзотермических химических реакциях, ни при нагреве электрической цепи из-за теплового действия электрического тока, ни при саморазогреве радиоактивного образца – везде здесь у вещества повышается температура исключительно за счёт своих собственных ресурсов.
Ещё одной иллюстрацией негодности первого начала термодинамики является работа «сверх-единичных» роторных теплогенераторов. Если полагать, что здесь нагрев воды обусловлен заимствованием энергии откуда-то извне, то источник этого заимствования неочевиден – поэтому «объяснители» пускаются на спекуляции, апеллируя к энергии либо «физического вакуума», либо «эфира», либо «пространства-времени», либо «торсионных полей»… Мы же утверждаем, что изменение температуры тела всегда происходит при перераспределении содержимого его собственных энергетических закромов – надо лишь создать условия для того, чтобы эти перераспределения произошли. В роторном теплогенераторе такие условия созданы изящным механическим способом, и, надо полагать, этот способ – далеко не единственный.
Логичным следствием нашего подхода является вывод о том, что не требуется вкачивать энергию в тело для того, чтобы оно служило источником тепла или света – следует лишь обеспечить соответствующее перераспределение энергий у атомов этого тела.
1. М.А.Леонтович. Введение в термодинамику. Статистическая физика. «Наука», М., 1983.
2. Физический энциклопедический словарь. А.М.Прохоров, гл. ред. «Сов. энциклопедия», М., 1983.