Физический смысл тепла и температуры

Понятия тепло и температура относятся к числу фундаментальных научных понятий. Они широко используются в научных исследованиях, инженерной практике и обыденной жизни. Однако физический смысл этих понятий до сих пор остаётся таинственным. Происходит это потому, что элементарный носитель тепловой энергии – фотон (рис. 11) существует в рамках Аксиомы Единства, а теоретики пытаются выявить его электромагнитную структуру и описать его поведение при формировании тепла и температуры с помощью теорий, работающих за рамками этой аксиомы [1].

В соответствии с теорией, работающей в рамках Аксиомы Единства, радиус вращения магнитной структуры фотона (рис. 11), изменяясь в диапазоне , остаётся равным длине волны , которую описывает его центр масс. Сейчас мы увидим, что изменение температуры среды – следствие изменения длины волны большинства фотонов в этой среде и станет ясно, что тепло и температуру формирует наибольшее количество фотонов (рис. 11) с определенной длиной волны [1].

На рис. 104 представлена зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от длины волны излучения при разных температурах. Известно, что зависимость изменения максимума излучения черного тела от температуры и длины волны описывается законом Вина (251). Этот закон позволяет определить длину волны излучения (фотона), соответствующую максимуму излучения при любой температуре не только в полости абсолютно черного тела (рис. 103), но в полости всей Вселенной.

, (255)

где - постоянная Вина.

Допустим, термометр показывает . Длина волны максимального количества (плотности в единице объёма пространства вблизи термометра) фотонов, формирующих эту температуру, будет равна

. (256)

Длина волны фотонов, совокупность которых формирует температуру , будет равна

. (257)

Энергии фотонов, формирующих температуры и будут соответственно равны:

; (258)

. (259)

Тогда разность энергий фотонов, при которой изменяется температура на , окажется такой

. (260)

Если термометр показывает , то максимальное количество фотонов в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (261)

При повышении температуры до максимальное количество фотонов в единице объёма в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (262)

Когда термометр показывает , то максимальное количество фотонов в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (263)

Длина волны фотонов, формирующих температуру , равна

. (264)

Поскольку это длины волн невидимых инфракрасных фотонов, то создаётся ощущение ошибочности результата, так как тела с такой температурой излучают световые фотоны. Однако, надо учитывать, что формула Вина даёт длину волны максимальной плотности фотонов, формирующих такую температуру. Это значит, что присутствие световых фотонов не исключается, что мы и наблюдаем в действительности, но температуру, равную , формирует максимальная совокупность инфракрасных фотонов с длиной волны .

Когда температура в полости черного тела повышается до 1500 С, то длина волны фотонов, формирующих максимальную их плотность в полости черного тела, уменьшается (рис. 103)

. (265)

При температуре в полости черного тела, равной (рис. 104)

. (266)

Таким образом, температуру среды в интервале формируют фотоны инфракрасного диапазона (табл. 1). С увеличением температуры длина волны фотонов, формирующих её, уменьшается.

Итак, температура, которую показывает термометр, формируется максимальной плотностью фотонов, длина волны которых определяется по формуле (255) Вина.

А теперь обратим внимание на то, как формирование температуры связано с энергетическими переходами электронов в атомах. Например, при переходе электрона атома водорода (Приложение 1) с 4-го на 3-й энергетический уровень излучается фотон с энергией

(267)

и длиной волны

. (268)

Если бы фотоны с длиной волны формировали температуру, то она была бы равна

. (269)

При переходе электрона с 3-го на 2-й энергетический уровень излучается фотон с энергией

(270)

и длиной волны

(271)

Это уже световой фотон (табл. 1). Если максимальное количество фотонов в среде будет с длиной волны , то они сформируют температуру

. (272)

Таким образом, разность длин волн фотонов, рождаемых электроном атома водорода при переходе с 4-го на 3-й и с 3-го на 2-й энергетические уровни, равна

. (273)

Разность температур, формируемых этими фотонами, равна

. (274)

Из этого следует, что атомы водорода, да и атомы других химических элементов, не могут формировать плавное изменение температуры среды. Эту функцию могут выполнить только молекулы. Чтобы понять, как они это делают, обратим внимание на плавное изменение яркости зоны слева осциллограммы атома водорода (рис. 84). Плавное изменение яркости формируется плавно меняющимися длинами волн фотонов, излучаемых при синтезе молекул водорода.

Молекулы других химических элементов формируют густо расположенные спектральные линии, так называемые полосатые спектры. Это свидетельствует о дискретных энергетических переходах валентных электронов таких молекул.

Таким образом, плавное изменение температуры среды обеспечивают молекулы, но не атомы химических элементов.

Известно, что энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436 кДж, а одной молекулы – 4,53eV. Энергию эту выделяют электроны атомов в виде фотонов. Каждый электрон излучает фотон с энергией 4,53/2=2,26eV.

Так как электроны излучают фотоны, то при формировании молекулы водорода каждый электрон должен излучить один фотон с энергией 2,26eV. Возникает вопрос: на каких энергетических уровнях должны находиться электроны в атомах водорода перед тем, как начнут объединяться в молекулы?

Молекулярный спектр водорода в виде сплошной светлой зоны (рис. 84) свидетельствует о том, что электроны в составе молекулы не занимают дискретные энергетические уровни, как они это делают, когда находятся в составе атомов. В молекулах их энергии связи с протонами и друг с другом изменяются так, что их величины оказываются равными межуровневым величинам энергий связи, соответствующих атомарному состоянию.

Когда электрон находится на третьем энергетическом уровне в атоме водорода, то его энергия связи с протоном равна 1,51eV, а когда на втором, то – 3,40eV. Чтобы излучить фотоны с энергиями 2,26eV при формировании молекулы и оказаться между вторым (с энергией связи 3,40eV) и третьим (с энергией связи 1,51eV) энергетическими уровнями, электрон должен перейти с 4-го на (примерно) 2-й энергетический уровень. В этом случае он излучит фотон с энергией (Приложение-1).

. (275)

Однако, средняя величина энергий всей совокупности излученных фотонов становится равной 2,26 eV и электрон оказывается между вторым и третьим энергетическими уровнями, соответствующими атомарному состоянию [1].

Конечно, если бы все электроны атомов водорода при формировании молекул излучали фотоны с одной и той же энергией, то в молекулярном спектре появилась бы одна спектральная линия между атомарными линиями, соответствующими второму и третьему энергетическим уровням. Отсутствие этой линии и наличие светлой зоны (рис. 84 слева) указывает на то, что электроны атомов водорода, переходя с разных энергетических уровней при формировании молекул водорода, излучают фотоны с разными энергиями так, что их средняя величина оказывается равной 2,26eV. Это, видимо, естественно, так как процесс этот идет не при одной какой-то температуре, а в интервале температур.

Однако, следует отметить ещё раз, что некоторые молекулы формируют так называемые полосатые спектры, у которых вместо сплошной светлой зоны – густо расположенные спектральные линии.

Теперь мы можем описать процесс изменения температуры. Представим, что перед нами ртутный или спиртовой термометры. Они показывают температуру . Это значит, что максимальное количество фотонов в среде, где расположены термометры, имеет длину волны (261). Молекулы ртути и спирта, также как и молекулы всех тел, жидкостей и газов в зоне термометров поглощают и излучают эти фотоны.

Если термометры будут показывать , то это будет означать, что в среде, где они расположены, максимальное количество фотонов имеет другую длину волны, а именно

. (276)

Теперь в среде, где расположены термометры, больше фотонов с меньшей длиной волны. Электроны молекул ртути и спирта начинают поглощать и излучать фотоны с длиной волны . Если количество этих фотонов в среде, где расположены термометры, будет постоянно, то температура среды не изменится. Если же количество этих фотонов уменьшится, а количество фотонов с меньшей длиной волны увеличится, то термометры начнут показывать большую температуру.

Допустим, что температура увеличилась до и стабилизировалась. Это значит, что в среде, где расположены термометры, максимальное количество фотонов имеет длину волны (262). Если температура повысится до , то это будет означать, что максимальное количество фотонов, где расположены термометры, имеет длину волны (263).

Вполне естественно, что молекулы всех тел, жидкостей и газов, расположенных в зоне термометров и имеющих аналогичную температуру, будут вести себя, как и молекулы ртути и спирта в термометрах. Они будут поглощать и излучать фотоны, которых больше в среде, где они расположены.

Из изложенного вытекают очень важные следствия, связанные с массой горячих и холодных молекул. Поскольку фотон обладает массой, то электрон, находясь в молекуле и излучая фотоны при охлаждении молекулы, уменьшает свою массу, а значит и массу молекулы. Таким образом, холодные молекулы имеют массу меньше, чем горячие. Этот факт должен проявляться в Природе, и он проявляется под действием законов механики.

Горячие молекулы газов атмосферы, имея большую массу, опускаются под действием силы тяжести к поверхности Земли, а холодные, имея меньшую массу (но не объёмную плотность), оказываются в верхних слоях атмосферы.

Далее, если смесь горячих и холодных молекул воздуха вращается в трубе, то под действием центробежной силы инерции более тяжелые горячие молекулы оказываются вблизи внутренней поверхности трубы, а холодные молекулы, с меньшей массой, располагаются ближе к оси трубы. Этот эффект четко проявляется в вихревых трубах и широко используется в промышленности.

Таким образом, температура среды и тел изменяется благодаря тому, что их молекулы излучают и поглощают фотоны среды непрерывно. Постоянство температуры обеспечивается большинством фотонов, соответствующих этой температуре в среде, где она измеряется. Изменение длины волны этого большинства изменяет температуру среды. Длина волны большинства фотонов определяется по формуле (255) Вина.

Чтобы получить формулу для определения температуры любого космического тела, запишем формулу Вина для двух разных температур:

, (277)

. (278)

Далее имеем:

,

или

(279)

и

. (280)

Приравнивая (279) и (280), найдем

(281)

или

. (282)

Таким образом, произведение длин волн фотонов на температуры , которые они формируют, - величина постоянная и равная Это - седьмая константа, управляющая поведением фотонов. Назовём её константой равновесия температур.

Формула (281) означает, что если температуру формируют фотоны с длиной волны , то чтобы получить температуру , необходимо сформировать среду с большинством таких фотонов , при которых .

Например, возьмём температуру болометра телескопа Хаббла, выведенного в космос. Она равна . Её формирует совокупность фотонов с длинами волн . Предположим, что указанный телескоп зафиксировал, что максимум излучения с определённой звезды имеет длину волны, равную . Закон (281) формирования температур даёт нам такую величину температуры на поверхности исследуемой звезды

. (283)

Итак, температура на поверхности исследуемой звезды 29399,61К. Это значительно больше, чем на поверхности нашего Солнца и мы уверенно можем полагать, что исследуемая звезда моложе Солнца.

Теперь предположим, что телескоп Хаббла зафиксировал максимум излучения с космического объекта (астероида, например) с длиной волны . Учитывая, что , температура на поверхности этого космического объекта будет равна

. (284)

Описанный метод измерения температуры космических тел широко используется астрофизиками. Теперь они глубже будут понимать физическую суть этого процесса.

Мы уже показали, что максимальная длина волны фотона равна . Совокупность фотонов с такой длиной волны формирует минимальную температуру

. (285)

Встаёт вопрос о длине волны фотонов, совокупность которых формирует максимальную температуру. Современная наука не имеет точного ответа на этот вопрос. Мы можем только предполагать, что температуру формируют лишь те фотоны, которые излучаются электронами при синтезе атомов и молекул. Граница минимальной длины волны таких фотонов ещё не установлена. Можно предполагать, что она находится в диапазонах ультрафиолетового или рентгеновского излучений. Поскольку гамма фотоны и рентгеновские фотоны с минимальной длиной волны излучаются не электронами, а протонами при синтезе ядер атомов, то у нас есть основания полагать, что совокупность гамма фотонов и рентгеновских фотонов с минимальной длиной волны не участвует в формировании температуры окружающей среды.

Если бы гамма фотоны участвовали в формировании температуры окружающей среды, то максимально возможная температура была бы равна

. (286)

Если в Природе существует такая температура, то она разрушает не только молекулы и атомы, но и ядра атомов.

Температурное равновесие Вселенной управляется законом равновесия температур (281). Он гласит: произведение температур и длин волн или радиусов фотонов, формирующих температуру в любых двух точках пространства, – величина постоянная и равная Вот его математическая модель

. (287)

А теперь посмотрим как в этой модели реализуется Второе начало термодинамики макромира. Согласно этому началу тепло не может перетекать самопроизвольно от холодного тела к нагретому. Поскольку тепло и температуру формирует наибольшая совокупность фотонов, имеющих одинаковые радиусы (рис. 11), то выравнивание температур в двух точках пространства () означает, что равные температуры формируют фотоны с равными радиусами (). Из этого следует такая запись математической модели закона формирования температур в этих точках

. (288)

Физически это означает, что одинаковую температуру в двух точках пространства формирует максимальная совокупность фотонов с равными радиусами, Что полностью согласуется со Вторым началом термодинамики макромира, исключающим повышение тепла в точке пространства за счёт теплых фотонов, самопроизвольно переходящих из другой точки с меньшей температурой. Например, если в точке 1 температура выше, чем в точке 2, то температура в точке 1 не может повысится за счёт перетекания из точки 2 теплых фотонов, которые, конечно, имеются в её зоне (рис. 104), но их там меньшинство и они не формируют температуру в этой точке. Поскольку существует процесс рассеивания фотонов, то это формирует автоматическое стремление системы к минимуму температур, поэтому из точки 2, в точку 1 могут перейти только те фотоны, которых в её зоне большинство. Поскольку в точке 2 температура ниже, чем в точке 1, то из точки 2 в точку 1 могут самопроизвольно перейти только те фотоны, которые формируют её температуру, а она ниже, чем в точке 1, поэтому приход фотонов из точки 2 в точку 1 приведёт только к снижению температуры в зоне точки 1.