Годовое изменение параметров Земли 11 страница
получить которую приемами классической физики не удавалось до сих пор. Эта формула как указано в работе [132], хорошо подтверждается экспериментами по рассеянию света кристалла при низких температурах. С точки зрения новой термодинамики это вполне объяснимо, поскольку для твердых веществ при низких температурах ср = cv и, следовательно, γ ≈1, благодаря чему формула (5.79) в пределе превращается в формулу квантовой механики.
И вновь, как и в случае молекулярно-кинетической теории, для корпускулярно-волновой теории оказываются справедливыми уравнения (5.11), (5.12). Связь между этими двумя теориями микромира устанавливается посредством соотношения:
П = αkТ = ħω = р/п = ..., (5,83)
которое может быть получено с помощью формул (5.66) и (5.79) с учетом (5.7). Отсюда, с учетом формулы (5.63), следует, что фактор сжимаемости вещества равен:
α= ħω/kТ = ln ( W ) = р/пkТ = f ( p , T ) =… (5.84)
Интересно отметить, что конструкция вида ħω/ kT довольно часто встречается в физике. Достаточно хотя бы напомнить формулу Планка для излучения абсолютно черного тела [132], содержащую этот комплекс.
Учитывая полученные уравнения, энтропию микрочастицы можно выразить также следующими соотношениями:
S = ħω/T= kln(W) = αk = p/nT = f(p,T) = ... . (5.85)
Из анализа термодинамики и механики микрочастиц видно, что параметр γ играет в этих теориях чрезвычайно важную роль как регулируемый параметр. В связи с этим не будет лишним напомнить, что в физике твердого тела при определении энергии кулоновского притяжения на одну ионную пару с 1910 г. пользуются понятием постоянной Маделунга [133], которая, по-видимому, есть не что иное, как параметр γ = f2(е,φ), приведенный к виду γт = 1+ е.
|
|
Как уже отмечалось, термодинамические значения этого параметра, определяемого как γ = c р / cv = 2Е/П = f(p , T), согласно справочным данным [126], также всегда превышают единицу. Это возможно только в том случае, если считать, что для любых веществ, находящихся в определенных фазовых состояниях, этот параметр равен γт = 1 + е, где е > 0. Это означает, что термодинамический параметр γследует рассматривать как среднестатистическую (то есть наиболее вероятную) величину, которая характеризует собой волновой адиабатный процесс распространения тепловой энергии при максимально достижимых скоростях распространения теплового энергетического воздействия. Например, для звуковой волны, распространяющейся в воздухепри t = 20°С (γ = 1,4; α= 1; μ = 29 кг/моль) скорость звука равна:
w = √(γαRT) = 346 м/с.
Это означает, что при γ = 1,4 основная масса молекул воздуха в звуковой волне совершает эллиптические движения со среднестатистическим эксцентриситетом е = 0.4, определяющим форму звуковой волны. Термодинамический и механический параметры γ в действительности оказались тождественно одинаковыми и поэтому могут описываться одними и теми же выражениями (А), (В), (С). Применительно к макро- и микро миру параметр γ является не только пространственно-временным параметром, но также параметром, учитывающим протонно-электронное строение вещества различного химического состава на любых его энергетических уровнях.
|
|
Отсутствие же параметров α и γ вдействующих молекулярно-кинетической и корпускулярно-волновой теориях постоянно приводило к существенным погрешностям в описании природных взаимодействий на микроуровне строения вещества и, кроме того (что особенно досадно), не позволяло до сих пор сколько-нибудь осмысленно применить искусственные приемы управления такими взаимодействиями.
Из анализа и синтеза законов термодинамики и механики (в том числе и для микрочастиц) следует весьма важный общий вывод, различные природные взаимодействия пространст-венно-временной сущности всегда сопровождаются механическими явлениями. Поэтому новая (русская — А.Ч.) механика и новая термодинамика по существу представляют собой единую термомеханическую теорию. Эта теория, как оказалось, способна описывать любые природные процессы на макро- и микроуровнях строения материи с учетом физико-химических свойств и химических превращений веществ, участвующих в рассматриваемых взаимодействиях. Природа, таким образом, представляет собой единую гигантскую термомеханическую систему (ТМС), подчиняющуюся законам термомеханической теории. При этом аналитические законы этой теории определяют качественную, а экспериментальные — количественную стороны природных взаимодействий. В этом, в конечном счете, и заключается единство теории и практики в естествознании.
|
|
5.5. Обобщенная теория взаимодействий
одиночных макро- и микротел
с окружающей средой
Существование тождеств механики и термодинамики позволяет записать систему интегральных законов, описывающих любые i-е типы природных взаимодействий одиночных макро- и микротел с окружающей средой (механические, тепловые, электромагнитные, химические, гравитационные) во взаимосвязи этих взаимодействий друг с другом в виде:
|
|
К= mw = Ft :
L = [r , K] = [r , mw] = [r , Ft] = Mt , (D)
W = E ± П= ( γ ±2) П /2 = (γ±2)E/2= const.
Здесь К – импульс; т– масса тела; w – скорость; F – внешние силы: t – время; L – момент импульса; М = [r , F]– момент внешних сил; r – радиус-вектор центра массы тела в пространстве; W – полная энергия тела; Е – кинетическая энергия тела; П – потенциальная энергия тела, γ = 2E / U = c р / cv = (1 + 2ecosφ + е2)/(1 + ecos φ) = f 2 ( e ,φ) = f3( r , t ) = f ( p , T ) – безразмерный пространственно-временной параметр, учитывающий волновой характер актер учитывающий волновой ха
распространения различных видов энергий в пространстве. Пределы изменения этого параметра составляют 0< γ < ∞, причем для замкнутых эллиптических траекторий 0 < γ < 2(W < 0); для разомкнутых параболических траекторий γ = 2(W = 0); для разомкнутых гиперболических траекторий γ = 2(W > 0). В формулу параметра γ входят следующие обозначения; ср, cv –
удельные теплоемкости тела при р = const , V = const , e –эксцентриситет траектории; φ – полярный угол радиуса-вектора тела: р – давление: Т – абсолютная температура.
Первые два закона системы (D) описывают поступательное и вращательное движение макро- или микротела в различных энергетических полях. Третий закон определяет баланс энергии, образующейся при i-том взаимодействии.
Термин «обобщенный» означает, что в силу существо вания принципа подобия процессов распространения различных видов энергии в пространстве любое из при родных взаимодействий может быть описано одними и теми же соотношениями, но при использовании пара метров, соответствующих конкретному типу взаимо действия. Это означает, в частности, что каждое из природных взаимодействий происходит в собствен ных пространственно-временных рамках и должно учитывать только те параметры, которые только ему и присущи. Таким образом, вид входящих в систему законов (D) формул для сил F и потенциальной энергии П определяется типом описываемого взаимодействия. В качестве таких формул могут использоваться:
для теплового взаимодействия:
П = pV = T Ѕ = Nt ;
для химического взаимодействия:
П = р V + Σμini = TS + Σμini = Nt + Σμini ,;
для электрического взаимодействия:
F = ± g 1 g 2rс /4πε о r с 2 rc ; П = g 1 g 2 /4πεоεrс;
для магнитного взаимодействия:
Fm = ± g[w , B]; П m = grmw В;
для гравитационного взаимодействия:
Fg = – fMmrg / rgrg 2 ; П g = fMm / rg .
Кроме того, электрическое имагнитное взаимодействия могут описываться с помощью известных из физики формул [35,125]:
Пе = EDV е /2 = εоεЕ2 V /2= φg = ...
Пm = В HVm /2= μ о μН2 Vm /2=...
В случае микрочастиц могут применяться формулы:
П = αkТ = ħω = р/п = ...,
и другие.
Совершенно очевидна возможность описания любого i-гoвзаимодействия как с помощью механических, так и с помощью термодинамических параметров состояния. Это связано с тем, что выражение потенциальной энергии i-го взаимодействия допускает многовариантные модификации. Например, желая с помощью системы законов (D) описать электрическое взаимодействие, можно формулу потенциальной энергии этого взаимодействия выразить в видах:
Пе = g 1 g 2 /4πε о εrе = р e Ve = εоεЕ2 V е /2= φ g = αеkТ = T е S е = ħω e =
= mеw2е/γ - iђVJl=...
Аналогично обстоит дело и с любым другим типом взаимодействия. По существу эта аналогия является следствием природной аналогии и выражается в использовании в теории метода обобщенных потенциалов и обобщенных координат.
В указанных формулах применены следующие обозначения: р, V –давление, объем вещества; Т, S – абсолютная температура, энтропия: μi, ni – химический потенциал, молекулярный состав химически реагирующих веществ: N , t – мощность, время: q , φ – электрический заряд, электрический потенциал; εо, ε – электрическая постоянная, относительная диэлектрическая проницаемость вещества: μо, μ – магнитная постоянная, относительная магнитная проницаемость вещества; r е , rm, rg соответственно: расстояние между электрическими зарядами, магнитными зарядами; центрами масс тел; w , В, Н – скорость, магнитная индукция, напряженность магнитного поля; E , D – напряженность электрического поля электрическая индукция; α = f ( p , T ) – фактор сжимаемости вещества; k – постоянная Больцмана; ħ – постоянная Планка; ω – круговая частота.
Ввиду векторного вида первых двух законов системы (D) закон для W следует записать для координатных всей х, у, z . В. случае же описания сложного взаимодействия необходимо учитывать, что результирующее воздействие является суммой всех одиночных.
В дифференциальной форме записи система законов (D) принимает вид [56,83]:
dK/dt = d(mw)/dt = d(Ft)/dt = γF;
dL/dt = d[r,K]/dt = d[r,m,w]/dt = d[r,F,t]/dt = γM; (E)
dW/dt = d(γ ±2)П /2dt = d(γ ±2)E/γdt = 0.
Соответственно в дифференциальной форме долж ны использоваться указанные ранее выражения для потенциальной энергии, определяющие тип рассматриваемого энергетического взаимодействия. Таким образом, система законов (Е) автоматически включает в себя весь набор дифференциальных законов новой (нехимической и химической) термодинамики и новой ме ханики, полученных ранее.
Поскольку системы уравнений (D) и (Е) содержат соотношения механики и термодинамики, то следует принять в обращение и единую систему понятийного аппарата для них, так как только таким способом можно привести в полное соответствие понятия различных научных дисциплин, составляющих современное естествознание. Учитывая то, что масса тела, фигурирующая в законах новой механики и новой термодинамики, является переменной величиной, представляется целесообразным условиться считать любые физические величины механики и термодинамики параметрами состояния вещества термомеханической системы. Это позволит кроме приобретения удобства от принятия единого понятийного аппарата всего естествознания, избежать проведения совершенно бесплодных, но постоянно ведущихся физиками дискуссий, касающихся точного определения таких совершенно неопределимых (в силу изменяемости их величин) понятий физики, как масса, время, сила, импульс и тому подобных.
На этом заканчивается построение физико-химических основ обобщенной теории взаимодействий оди ночных макро- и микротел с окружающей средой.
6. Электричество и кванты
6.1. Заряды и электрические взаимодействия
Способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать легкие предметы была замечена людьми в глубокой древности. Позже обнаружено, что данное свойство присуще и другим веществам. Притяжение, возникающее при натирании тел, было названо Джилбертом электризацией, а состояние наэлектризованных тел — заряженным (заряженные тела те, на которых имеются свободные электрические заряды). Было найдено, что существует два рода зарядов — положительные и отрицательные. К тому же выяснилось, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются и эти взаимодействия по структуре аналогичны закону притяжения И. Ньютона.
Так в науку вошло понятие «заряды» [134]:
«В настоящее время твердо установлено (?? – А.Ч.), что электрические заряды существуют в природе в виде заряженных частиц, которые мы считаем простейшими или элементарными. Элементарная отрицательно зараженная частица, с которой нам вронов одинаков и равен 1,6-приходится встречаться в электрических явлениях, получила название электрона. Заряд каждого из электронов одинаков и равен 1,6∙10-19 Кл. Масса электрона чрезвычайно мала и составляет всего около 10-30 кг».
Постулируется, что все электроны тождественны по своим свойствам, имеют одинаковую массу и заряд наименьшей величины. К другим свойствам электрона можно отнести [135]:
• наличие у них наряду с корпускулярными свойствами (свойствами частиц) и квантовых свойств (дуализм волна-частица);
• наличие внутреннего момента количества движения (спин);
• наличие магнитного момента;
• отсутствие пространственных размеров (их до сих пор не удалось замерить, а потому электрон полагают точкой);
• свойство квантуемости и сохранения заряда [в изолированной системе (?– А.Ч.)величина электрического заряда остается неизменной];
• электрон, как и все вещественные частицы, движется в пространстве по инерции.
Таким образом, свойства электрона становятся тем фундаментом, который и составляет естественную базу квантовой механики, определяя механизм взаимодействия элементарных частиц в соответствии с законом Кулона, имеющим вид:
F = e 1 e 2 / R 2 , (6.1)
где е1, е2 – заряды электронов, R – расстояние между электронами.
На основе этого закона была разработана планетарная модель структуры атома, по которой электроны вращались на орбите вокруг ядра, как планеты Солнечной системы вокруг Солнца. Однако эта модель не могла быть принята даже как гипотеза, поскольку в соответствие с электродинамикой электрон, вращающийся на орбите, должен был постоянно излучать энергию, вращаться по спирали, приближаясь к ядру и за относительно короткий срок упасть на него. (Интересно, что аналогичным образом должны вести себя пла неты и спутники планет Солнечной системы, но на них данный закон не распространили.) Это можно показать хотя бы на следующем примере.
Рассмотрим время существования электрона, вращающегося на орбите вокруг ядра-протона на расстоянии а [136]. Сила взаимодействия F этих зарядов е равна:
F = е2/а2.
Приравняем произведение массы электрона т на ускорение v 2 /а, получаем:
mv 2 / a = е2/а2 ,
откуда:
v 2 = е2/та.
Полная энергия электрона Е:
Е = mv 2 /2– е2/а = – е2/2а, (6.2)
где е2/а – потенциальная энергия электрона.
Из (6.2) следует, что радиус орбиты электрона в атоме может быть произвольным (что можно считать явной аналогией с планетарными орбитами). Движение электрона, как полагают, позволяет рассматривать систему электрон-протон как диполь с моментом d = er (где r – радиус-вектор от протона к электрону), являющегося функцией времени, и потому система будет излучать электромагнитные волны. Интенсивность излучения J находится из уравнения:
J = 2d 2 / c 2 .
Поскольку d = er = ew , где w – ускорение электрона, то
J = 2e 2 w 2/3 c 3 .
Так как w = е2/та2 , имеем;
J = 2e 6 /3c 3 m 2 a 4 , (6.3)
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 278; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!