Теплота

 

       Для рассуждений о темах, в которых рассматриваются высокие температуры необходимо определиться с понятием – теплота. Теплота – привычное и интуитивно понятное явление. Но когда говорится о температурах в миллионы и даже миллиарды градусов, возникает необходимость в точном определении. Что мы знаем о температуре? Теплота – это внутренняя энергия тела.

     «Внутренняя энергия есть кинетическая и потенциальная энергия частиц, составляющих микромир: молекул, из которых состоят макротела, атомов, из которых состоят молекулы, электронов и других частиц, составляющих атомы. В основном тепловые явления можно связать только с движением и расположением молекул как неизменных простых частиц. Поэтому изучая тепловые явления, мы будем интересоваться только частью внутренней энергии тел, а именно, только кинетической энергией молекул, зависящей от скорости их беспорядочного движения и потенциальной энергии молекул, зависящей от их взаимного расположения.» ». («Элементарный учебник физики» под редакцией Г.С.Ландсберга том 1 стр. 405 «Наука» 1967г.)

        Для начала рассуждений примем, что теплота – это хаотичное движение атомов и молекул, составляющих тело. То есть теплота – это движение. Но всякое ли движение может называться теплотой? Если тело движется, то все атомы и молекулы двигаются в одну сторону. Можно ли это движение назвать теплотой? Так как, при этом все атомы и молекулы двигаются направленно, то это движение по определению нельзя назвать теплотой. Однако, при столкновении с другим телом, часть кинетической энергии направленного движения атомов и молекул может превратиться в кинетическую энергию их хаотичного движения, что уже теплотой является.

       Теперь представим отсутствие хаотичного движения молекул и атомов в теле. То есть температура будет равна абсолютному нулю. При этом, сами молекулы и атомы сохранятся. Тогда можно сказать, что движение электронов в атомах и молекулах к теплоте не имеют отношения. При этом тело может двигаться, и кинетическая энергия движения атомов и молекул в одном направлении к теплоте так же не причастны. При температуре равной абсолютному нулю, тело обладает минимальной возможной в данных условиях внутренней энергией. При росте температуры атомы и молекулы тела двигаются всё быстрей (хаотично). При этом увеличивается не только кинетическая энергия хаотичного движения атомов и молекул, но и расстояния между ними (тела расширяются при нагреве). А значит, увеличивается потенциальная энергия атомов и молекул (гравитационная масса). Получается, что при температуре равной абсолютному нулю, и потенциальная энергия молекул и атомов тела минимальна, при данных условиях. Для нагрева тела, необходима дополнительная энергия извне или изменение условий (гравитация, электрическое поле или сторонние силы). При изменении условий, может измениться минимальная потенциальная энергия молекул и атомов тела, а ставшая лишней часть потенциальной энергии перейдёт в кинетическую энергию хаотичного движения, то есть в теплоту. Например, при сжатии вещества, температура повышается, однако, если убрать причины вызвавшие сжатие, температура понизится до исходного уровня. Если сжатие было достаточно долгим, и температура сжатого вещества сравнялась с окружающей средой, то тогда, при возвращении в исходное состояние, температура ранее сжатого тела понизится. Но может возникнуть такая ситуация, когда после снятия давления, у ранее сжатого вещества не хватит кинетической энергии хаотичного движения, чтобы вернуться в исходное, нормальное при данных условиях состояние. Тогда это вещество останется в сжатом состоянии, пока не получит энергию извне (сжиженные газы).

     Рассмотрим условия, при которых происходит перераспределение энергии между потенциальной и кинетической её формами.

1. 1. Сторонние силы. Давно применяются в технике. Это и прессы, и компрессорные холодильники и т.д. Для создания силы, вызывающей перераспределение потенциальной и кинетической энергий, мы используем дополнительную энергию, которая при этом превращается в теплоту.

2. 2. Электрическое поле. Благодаря электрическому полю образуются атомы и молекулы. Энергия химических связей существует за счёт электрического поля. Чем дальше друг от друга находятся атомы в молекуле, тем больше у них потенциальная энергия. Отдельные атомы вещества обладают большей потенциальной энергией, чем атомы объединённые с себе подобными, или с другими атомами.

3. 3. Гравитационное поле. Благодаря ему существуют, и возможно, получают энергию звёзды. Мы тоже используем гравитационное поле, например в гидроэлектростанциях, превращая часть потенциальной энергии молекул воды на высоком уровне плотины в электрическую энергию.

     Теперь вернёмся к определению теплоты. Теплота это:

1.Кинетическая энергия хаотичного движения атомов и молекул, составляющих тело.

2.Потенциальная энергия атомов и молекул (увеличение расстояния между ними), если это состояние не устойчиво, и при уменьшении кинетической энергии хаотичного движения атомов и молекул, эта потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию хаотического движения.

     Если температуре абсолютного нуля можно дать характеристику, как минимально возможной в данных условиях (гравитационное поле, электрическое поле, сторонние силы) потенциальной и кинетической энергии атомов и молекул. То теплоту можно характеризовать как дополнительную потенциальную и кинетическую энергию, над минимальным устойчивым состоянием в данных условиях.

      Можно ли говорить о температуре отдельных частиц? Так как одна частица всегда движется направленно, куда бы она не двигалась, то можно говорить только об эквиваленте температуры. В отличие от макроскопических тел, у которых общее направленное движение, всех составляющих его частиц, теплотой не является, у отдельных частиц нельзя провести такое разделение. И поэтому теплота всё-таки характеристика тел, состоящих из множества атомов и молекул.

      В связи с нашими рассуждениями вспомним противоречие, возникающее между теорией эволюции и вторым началом термодинамики. Если теория эволюции Дарвина утверждает, что возможно постоянное усложнение организованных живых форм, структур и систем, то второе начало термодинамики утверждает, что изолированная физическая система необратимо смещается к состоянию равновесия. То есть любая разница температур сравняется, разнородное перемешается (непрерывный рост энтропии). Для разрешения противоречия возникло утверждение, что законы физики и законы биологии не надо смешивать, не надо ждать от них единства. Само противоречие не исчезло, решение было отложено на будущее. Развитие каждой науки шло своим путём, а картина реального мира дробилась на маленькие картинки, плохо согласованные между собой.
   Размышления, описанные выше, приводят к мысли, что второе начало термодинамики применимо только к системам с неизменяемыми условиями, при которых возможен переход потенциальной энергии в кинетическую и наоборот (гравитационное поле, электрическое поле). Кроме того, эти условия должны быть равны по величине по всей рассматриваемой системе. Тогда снимается противоречие между физической и биологической теориями.

      Ещё один интересный момент – это теория, выдвинутая Р. Клаузисом в 1865 году, которую называют «тепловой смертью Вселенной». Согласно этой теории Вселенная рассматривается как замкнутая система, поэтому согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной стремится к максимуму, в результате чего со временем в ней должны прекратиться все макроскопические процессы. То есть всё разнородное перемешается а температура сравняется. Очевидно, что второе начало термодинамики не применимо к Вселенной. Но почему? Общепринятая теория говорит, что Вселенную нельзя рассматривать как замкнутую систему, потому что она расширяется. Весьма сомнительное утверждение. Допустим, Вселенная расширяется, но как её расширение может помешать веществу планет, звёзд, галактик распределиться равномерно по всему пространству Вселенной? Очевидно, что планеты, звёзды и галактики с помощью гравитации, не только сохраняются, но могут и увеличиваться за счёт вещества в пространстве. Не логичнее ли предположить, что второе начало термодинамики не применимо к системам с не равным гравитационным полем?
     Но некоторые космологи пошли гораздо дальше. Они утверждают, что Вселенную нельзя рассматривать как замкнутую систему, потому что существует множество Вселенных, которые могут обмениваться энергией за счёт флуктуаций. (Хотя что же мешает рассматривать всё множество Вселенных как замкнутую систему?) Если рассмотреть это утверждение с позиций здравого смысла, то что можно сказать? Мы не знаем конечна ли наша Вселенная. И если конечна, то какие её размеры, и что тогда находится за краем Вселенной. И поэтому утверждение о множестве Вселенных это даже не научная фантастика, а чистой воды фантазия, то есть сказка. Таких непроверяемых сказок не мало в современной космологии. Но вот уже около ста лет как здравый смысл не в почёте у физиков. Физика как наука только поставляет условия задач для построения математических моделей физических объектов и явлений. А дальше действуют математики, которые называются физиками лишь потому, что стоят математические модели физических явлений. И ни кто уже не вспоминает, что с помощью математических моделей можно описать не только существующую реальность, но и любую другую. Иногда при создании математической модели, чтобы всё сошлось с предыдущими построениями и новыми факторами приходиться вводить новые сущности (поля, частицы и т.д.). Потом эти частицы ищут, и чаще всего находят. Уж очень хочется. С полями ещё проще. Например, сильное и слабое взаимодействие существуют только в теории. Не существует приборов способных измерить какие-то параметры этих полей. Объясняется это очень просто – эти поля действуют только на малых расстояниях порядка размера ядра атома. Но физические объекты и явления не зависят от наших взглядов на них. Наши взгляды на физические объекты и явления могут меняться, а вот сами физические объекты и явления нет.
    Если обратить свой взгляд к микромиру, то можно обнаружить, что существование атомов, ядер атомов, молекул и их групп противоречит второму началу термодинамики. Ждать того, что атомы, ядра атомов, молекулы со временем распадутся и протоны, нейтроны и электроны равномерно распределятся в пространстве, мне кажется совершенно бесполезно. Им это не позволит электрическое поле. Разве объекты микромира нельзя рассматривать как замкнутую систему? Не логичнее ли предположить, что второе начало термодинамики не применимо к системам с не равным электрическим полем?
     Планетам, звездам и галактикам обеспечивает устойчивость гравитационное поле, а атомам и молекулам поле электрическое. Разница в масштабах объясняется в разнице силы гравитации и силы электрического поля, которые отличаются на много порядков.

     Кроме того, с помощью нашего предположения можно объяснить принцип работы теплового насоса. Теорию паровой машины и её зеркального отражения – теплового насоса в 1830 году создал французский инженер Сади Карно. Эти два режима часто называют прямым и обратным циклами Карно. При работе устройств, использующих обратный цикл Карно наблюдается нарушение второго начала термодинамики, например вихревая труба, изобретённая французским инженером Ранке.

    «Небольшой компрессор вдувает тонкую струю наружного воздуха по касательной к внутренней поверхности трубы. Периферическая, близкая к стенкам вихреобразно вращающаяся часть струи нагревается и через узкую щель между трубой и конусообразной пробкой выходит в обогреваемое помещение. В обратном направлении течёт и сквозь небольшое отверстие выходит наружу охлаждённый поток воздуха. Разогрев периферической струи можно приписать трению о стенки и на границе при встрече с центральным воздушным потоком. Труднее объяснить, почему понижается температура потока. Предложено несколько гипотез, но общепринятой теории пока нет. Однако установка работает и действительно обогревает помещение, хотя экономическая выгода от такого способа обогрева незначительна». (В.Барашенков, М.Юрьев «Тепло из холода» Знание-Сила №1/2005г. стр.14)

      Предположение о том, что второе начало термодинамики применимо только к системам, с неизменяемыми и равными условиями, при которых возможен переход потенциальной энергии в кинетическую и наоборот (гравитация, электрическое поле или сторонние силы) сразу снимает противоречие. В нашем случае работают сторонние силы, на возникновение которых тратится энергия. Две струи находятся при разных давлениях, одна немного сжата, другая немного разряжена. Так, как они взяты из одного потока воздуха, то первоначальная температура их одинакова. Один поток при сжатии нагревается, другой при разряжении остывает, по сравнению с первоначальной температурой. После чего они некоторое время двигаются рядом, и по второму началу термодинамики, температура стремиться сравняться. Хотя у этих потоков будет несколько различно соотношение потенциальной и кинетической энергии. При снятии условий сжатия и разрежения (выпуск одной струи в атмосферу, а другой в отопляемое помещение), ранее сжатая струя остынет больше, чем была прежде, так как частью своей тепловой энергии она успела поделиться с другой струёй. А соответственно, поток направляемый в отопляемое помещение будет иметь на столько же больше тепловой энергии, на сколько меньше другой поток. Что касается незначительного выхода дополнительной энергии к затраченной, то можно сказать, что и разница между сжатием одного и разряжения другого потока невелика. Также мало время и площадь их взаимодействия.