CC BY
16
УДК 536.1
В. Е. Федоровский
Пенсионер, физик, бывш. раб. УЭХК, г. Новоуральск, Р.Ф.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ГИПОТЕЗА ТЕПЛОТЫ Аннотация
В статье подвергается критике молекулярно-кинетическая теория теплоты; предлагается электромагнитная гипотеза теплоты, которая реально отражает процессы, происходящие в окружающей среде; приводится расчёт зависимости размеров молекул воздуха от температуры
Ключевые слова:
молекула, атом, электронная оболочка, излучение, теплота, температура.
V. E. Fedorovsky
Retired, physicist, former employee of UECC,
Novouralsk, R.F.
ELECTROMAGNETIC HYPOTHESIS HEAT Abstract
Ehe article criticizes the molecular kinetic theory of heat; the electromagnetic hypothesis of heat is proposed, which really reflects the processes occurring in the environment; the calculation of the dependence of the size of air molecules on temperature is given.
Keywords:
molecule, atom, electronic shell, radiation, heat, temperature.
На протяжении нескольких столетий учёные пытаются понять природу теплоты. Сначала предполагали, что теплота есть некая вещественная, материальная субстанция, которая переходит от горячего тела к холодному. Называли эту субстанцию теплородом или флогистоном.
Но затем появилась кинетическая гипотеза, которая предполагает, что теплота - это движение частичек, из которых состоят тела. Чем больше скорость частиц, тем больше теплоты в теле, тем выше его температура.
Эта гипотеза утвердилась в науке и превратилась в молекулярно-кинетическую теорию (МКТ), которая объясняет, что же такое теплота.
МКТ относится к той части физики, к которой давно утрачен научный интерес, поскольку вопрос, казалось бы, давно изучен. Но это не так.
Что же послужило основанием для вывода, что температура тел - это скорость хаотического движения молекул?
В 1827г. английский ботаник Броун, наблюдая под микроскопом частички пыльцы в растительном соке, обнаружил, что они движутся хаотично. Это наблюдаемое движение лёгких частиц в жидкостях назвали «броуновским». Поскольку частицы сами двигаться не могли, решили, что их толкают с разных сторон молекулы жидкости.
Но вначале наиболее вероятной причиной броуновского движения считались звуковые волны, в мире которых мы живём.
О распространении и влиянии на окружающую обстановку звуков люди, если это касалось их работы, знали задолго до открытия Броуна.
Д. Фрэнсис в книге «Торговец забвением» писал, что в сельской местности в Англии ближе, чем 100
ярдов от любой улицы, виноделы никогда не хранили вина, потому что оно могло испортиться, и до винного склада добирались на велосипедах.
То есть, виноделы знали, что грибок, живущий на виноградинах, не может качественно выполнить свою работу по изготовлению вина, поскольку цокот лошадиных копыт о мостовую вовлекал грибок в хаотичное движение.
Но наука почему-то пошла по другому пути.
В 1860г. Максвелл в результате теоретических расчётов с использованием формул теории вероятности вывел математическую формулу распределения молекул различных газов по скоростям.
В соответствии с этой формулой средняя скорость хаотического движения молекул газов составляет несколько сотен метров в секунду. Например, для азота при комнатной температуре (300°К) - около 500м/с.
Для каждого газа эта скорость разная - она связана с молекулярным весом газа. Чем тяжелее молекула, тем меньше её средняя скорость. А мгновенные скорости молекул газов могут быть любыми -от нуля и до бесконечности.
Поскольку по МКТ теплота - это скорость движения молекул, то есть, их кинетическая энергия, связали температуру тела с энергией молекул. В 1870г. Больцман вывел формулу для средней энергии молекул: E = (3|2)kT, где Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана.
Поскольку кинетическая энергия частицы Е = mv2/2, по температуре газа можно посчитать скорость его молекул и наоборот.
Но реального движения молекул в жидкости и в газах на опыте никто не наблюдал, скорости молекул экспериментально не определялись, формулы распределения молекул по скоростям и связь энергии молекул с температурой были выведены теоретически для газов и распространены на все вещества.
Без экспериментального подтверждения любая идея не может называться теорией, это только гипотеза. А вопросов к МКТ накопилось много.
Известно, что жидкости практически несжимаемы, значит, молекулы упакованы компактно, нет у них свободы в движениях, чтобы развивать такую же скорость, как молекулы газов.
При средней хаотической скорости молекул воздуха в 500 м/сек не мог бы чётко распространяться звук на большие расстояния. Он сразу бы размывался вблизи от источника звука. И не было бы такого понятия, как «эхо».
Если выходящий из сопла под давлением газ охлаждается, значит, по МКТ, из сопла выходят преимущественно молекулы с малыми скоростями хаотического движения. Совершенно необъяснимо.
Почему при нагреве газа в режиме изобары молекулы удаляются друг от друга, а скорость звука в газе и вязкость газа увеличиваются?
Почему реакция соединения водорода с хлором, требующая небольшой энергии активации, не идёт в нормальных условиях в темноте? Ведь, в этих, как и других, газах в соответствии с распределением Максвелла имеются высокоэнергичные молекулы, которые должны ионизировать часть молекул, и реакция должна идти? А она не идёт. В то же время указанная реакция начинается при освещении газов и проходит довольно бурно. Почему?
Вызывает вопрос справедливость формулы прямой связи между энергией (аддитивной величиной) и температурой (величиной не аддитивной).
А теперь самое главное. Если тепло по МКТ - это кинетическая энергия атомов и молекул вещества, то что же в таком случае тепловое излучение?
Излучение Солнца нагревает тела даже в вакууме. И для нагрева тел не требуется никаких быстродвижущихся молекул, которые бы передавали свою энергию медленным, «холодным» молекулам тела и нагревали его.
Известно, что все тела при любой температуре имеют свойство излучать электромагнитную энергию. Излучение вызывается переходом электронов в атоме с одних орбит на орбиты с меньшей энергией.
Температура тела и мощность его излучения связаны друг с другом экспериментальным законом Стефана - Больцмана. Чем больше мощность излучения, тем выше его температура и наоборот - чем выше температура тела, тем больше мощность его излучения.
Когда мы нагреваем тело внешним излучением, температура тела будет увеличиваться до тех пор, пока потребляемая и излучаемая телом мощности не станут равными. При таком нагреве всё большее количество электронов в атомах переходит на более удалённые от ядра орбиты и обратно.
Этот процесс не может не сопровождаться увеличением атомов в размерах. Атомы должны увеличивать свой размер.
То есть, температура тела - это не только мощность излучения тела, но и размер атомов этого тела. Чем выше температура, тем больше мощность излучения атомов и больше их размер, и наоборот.
В Приложении приведён расчёт зависимости диаметра молекул воздуха от температуры при нормальном давлении. При расчёте использовалась справочная литература [1], [2], [3].
Какое же отношение к излучению атомов имеет скорость их движения?
В «Физической энциклопедии» [4] написано, что «....возбуждение атомов при столкновении с другими атомами эффективно только при кинетической энергии частиц не менее 100эВ». Например, молекулы азота с такой энергией должны иметь скорость примерно 30 км/сек.
Это означает, что предполагаемые скорости хаотического движения молекул газа, рассчитанные теоретически, значительно меньше этой величины и поэтому не являются причиной возбуждения электронных оболочек атомов и не имеют, по крайней мере, существенного, отношения к их излучению.
А вот метеориты влетают в атмосферу Земли со скоростями в несколько десятков км/сек, что приводит к возбуждению электронных оболочек атомов метеорита и воздуха и сильному излучению. Метеориты и воздух вокруг них светятся и разогреваются вплоть до разрушения и взрыва метеорита.
При механической обработке, например, резании или сверлении металла, затрачивается большая энергия для изменения формы металла, что тоже возбуждает электронные оболочки атомов и приводит к нагреву металла.
Похожий процесс происходит при нагреве продуктов в микроволновой печи. Высокочастотное переменное электромагнитное поле заставляет вращаться дипольные молекулы воды и пищи, что создаёт сильное молекулярное трение, которое возбуждает электронные оболочки атомов и приводит к повышению интенсивности излучения атомами и температуры продукта.
В таких способах нагрева тел, которые требуют затрат значительной механической энергии, большая кинетическая энергия молекул тел является только причиной увеличения мощности их излучения, то есть, причиной перехода атомов в возбуждённое состояние, но не самой температурой.
Увеличение скорости молекул без их столкновения не приведёт к возбуждению атомов и повышению интенсивности излучения и температуры.
Интересный опыт провели Каминский и Шмоль [5].
Они исследовали броуновское движение частиц методом динамического рассеяния света. Из их эксперимента следует, что температура жидкости не влияет на поведение в ней броуновских частиц!
Этот вывод означает, что скорость движения молекул жидкости не зависит от температуры, а в небольшой степени зависит от каких-то меняющихся со временем свойств пространства, в котором движется Земля.
Далее для понимания связи температура - излучение - кинетическая энергия молекул проведём два мысленных эксперимента.
Выполним сжатие газа в оболочке с зеркальной внутренней поверхностью, чтобы всё излучение газа оставалось внутри и не выходило наружу за пределы оболочки.
Когда мы сжимаем газ, мы не только уменьшаем расстояние между молекулами газа, но и сжимаем излучение, которое присутствует в объёме газа.
После сжатия газа повышенная кинетическая энергия его молекул за счёт обмена с молекулами оболочки и окружающей среды вернётся к исходному значению, а температура газа останется на
повышенном уровне.
Это означает, что мы повысили температуру газа без повышения кинетической энергии его молекул! Причиной повышения температуры газа при его сжатии является увеличение плотности излучения за счёт сжатия излучения.
А теперь вынесем газ в жёсткой оболочке в теневое пространство космоса, где в окружающей среде практически нет молекул и излучений.
Что произойдёт с газом? По МКТ газ не должен остывать, у него не должна уменьшаться температура, поскольку внешних молекул, которым могли бы передать свою кинетическую энергию молекулы оболочки, нет.
Но газ будет остывать за счёт снижения мощности излучения, поскольку внешнего излучения газ не будет получать. Электроны в атомах займут позиции с минимальной энергией. Температура опустится практически до температуры реликтового излучения.
Размер молекул газа уменьшится (не останется электронов в атоме на возбуждённых орбитах), расстояние между оболочками молекул увеличится, ослабнут электрические силы отталкивания молекул между собой и стенками оболочки, что приведёт к понижению давления газа.
В результате кинетическая энергия молекул газа останется на исходном уровне, а температура газа упадёт почти до абсолютного нуля.
Эти мысленные эксперименты говорят о том, что давление и температуру формируют разные физические процессы.
Как показывают оценочные расчёты электрического взаимодействия двумерных моделей атомов, отталкивание между ними всегда превалирует над притяжением и меняется по сложному закону, а потенциальная энергия отталкивания на расстоянии в несколько диаметров атома превосходит предполагаемую кинетическую энергию атомов.
Поэтому никаких ударов молекул газа о стенку и между собой не происходит, молекулы могут только совершать колебания с небольшой амплитудой около своего положения равновесия.
К такому же выводу приводят и следующие рассуждения. Пусть молекулы газа неподвижны, и между ними, в том числе и между молекулами стенки и близлежащими молекулами газа, существуют невесомые пружинки.
Под действием сил гравитации, действующих на молекулы, эти пружинки слегка сжаты. Сила сжатия каждой пружинки около конкретной молекулы зависит от её высоты над поверхностью земли. Давление (1 атм.) создаётся суммой сил всех сжатых пружинок, то есть, весом всех молекул над единицей площади поверхности земли.
А теперь заставим молекулы газа хаотически двигаться с разными скоростями. Возникнут периодические колебания величины силы сжатия пружинок, то есть, периодические колебания давления в разных фазах около исходной величины. Но такие колебания никак не скажутся на общей величине давления. Среднее давление останется равным 1 атм.
О том, как формируется давление в естественных средах, писал в своё время ещё Архимед в своём трактате «О плавающих телах» [6].
Нам всем известен только 2-й его закон для макротел. А 1 -й закон Архимеда в учебники физики не включен, поскольку он не соответствует МКТ.
В нескольких теоремах этого закона говорится о том, что все вещества находятся под давлением веса собственных и вышерасположенных слоёв и состоят из одинаковых, равноудалённых и условно неподвижных (колеблющихся или дрожащих) частиц, находящихся в состоянии взаимного отталкивания.
Давление в атмосферной среде и расстояние между молекулами формируется гравитационными силами притяжения молекул к Земле и электрическими силами отталкивания их друг от друга. А тепло (в градусах температуры) - это излучение, исходящее из электронных оболочек атомов.
Температура тела и кинетическая энергия его атомов - это не одно и то же. Связь между ними есть, но она косвенная и односторонняя.
Температуру тела (мощность излучения) можно повысить путём энергичных столкновений молекул и тел между собой. А естественным образом тепло в механическую работу не превращается.
Для преобразования тепла в работу человек изобрёл различные сложные устройства - тепловые машины.
Поскольку в микромире некому построить тепловую микромашину, тепло там естественным образом тоже не переходит в работу и не может повысить кинетическую энергию поступательного движения молекул.
Материя вокруг нас состоит из частиц разных размеров и плотности, которые находятся в различных поступательных, вращательных и волнообразных движениях. Фотон - это не частица, это - единичная электромагнитная волна в эфире, вызванная переходом электрона в атоме между орбитами.
Тот факт, что при фотоэффекте закон сохранения импульса не соблюдается, говорит о том, что частицы и волны могут обмениваться между собой только энергией. Закон сохранения импульса при взаимодействиях волн и частиц применять нельзя, он там не работает.
К этому выводу приводят и результаты эксперимента [7], в котором не обнаружено давление света на поверхность, на которую он падает.
Отсутствие установок в современных физических лабораториях, которые бы демонстрировали давление света, тоже говорит об этом.
Известен наглядный эксперимент, где подвешенная на тонкой нити папиросная бумага под действием направленной на неё перпендикулярно её поверхности звуковой волны, не движется в сторону распространения волны, а совершает только колебательные движения около положения равновесия.
Волна не может ускорить условно неподвижную частицу. Она, передавая частице энергию, может заставить частицу только «дрожать».
Заключение
1. Вместо молекулярно-кинетической теории теплоты (МКТ) предлагается электромагнитная гипотеза теплоты (ЭМГТ).
Тепло - это электромагнитное излучение, исходящее из атомов тел, которое невидимо, не имеет ни запаха, ни вкуса. Эта субстанция есть не что иное, как теплород или флогистон, названия которой придумали учёные на заре развития науки.
2. Температура - это плотность равновесного излучения атомов тела в Вт/м2, выраженная в градусах температурной шкалы. Связь между ними определяется экспериментальным законом Стефана -Больцмана.
3. При адиабатическом изменении объёма газа его температура меняется за счёт изменения плотности излучения, то есть, за счёт сжатия или расширения излучения. По этой причине понижается температура выходящего из сопла под давлением газа, а также температура воздуха с высотой.
4. Температура, как ей и положено, становится аддитивной величиной. При объединении двух объёмов газа увеличивается не только внутренняя потенциальная энергия газа, но и температура.
5. Размер молекул воздуха увеличивается с повышением температуры. При нагреве газа в режиме изобары в диапазоне температур от минус 196°С до плюс 77°С размер увеличивается почти в 5 раз, а расстояние между электронными оболочками молекул становится равным диаметру молекулы.
6. Причиной увеличения объёма жидких и твёрдых тел при нагреве является увеличение атомов и молекул в размере и ослабление связей между ними вплоть до перехода тел в газовую фазу.
7. Увеличение скорости звука и вязкости газов при повышении температуры объясняется уменьшением доли пространства между молекулами из-за увеличения размера молекул.
8. Давление в атмосферной среде и расстояние между молекулами формируется гравитационными силами притяжения молекул к Земле и электрическими силами отталкивания их друг от друга.
9. Свободного пробега молекул воздуха при атмосферном давлении и их ударов о стенку и между собой нет, молекулы могут совершать только колебания около своего положения равновесия.
10. Причиной повышения давления газа при его сжатии является увеличение электрических сил отталкивания между молекулами из-за принудительного сближения их электронных оболочек, а при
~ 10 ~
нагреве в режиме изохоры - из-за увеличения размеров молекул.
11. Передача теплоты в веществах осуществляется только излучением. Чем ближе находятся молекулы (тела) друг от друга, тем интенсивней идёт обмен теплом между ними.
Никакой «контактной» теплопроводности не существует. А конвекция - это перемещение молекул в соответствии с законом Архимеда. Конвекция только ускоряет передачу тепла излучением.
11. Поскольку температура есть сумма излучений всех атомов тела, в масштабе микромира можно говорить о температуре каждого атома.
Приложение - Расчёт зависимости размеров молекул воздуха от температуры
В основе расчёта лежат современное представление об устройстве атома и экспериментальный закон Стефана-Больцмана.
По предлагаемой электромагнитной гипотезе тепло - это электромагнитное излучение (излучение фотонов), исходящее из электронных оболочек атомов.
Фотон излучается при переходе электрона в атоме с одной орбиты на другую, с уменьшением своей энергии и приближением к ядру.
Чем выше температура, тем больше интенсивность излучения атома, значит, тем больше не только частота перехода электронов с орбиты на орбиту, но и всё больше электронов должно единовременно находиться на более удалённых от ядра орбитах. А это значит, что атом с повышением температуры должен увеличиваться в размерах.
Поскольку сила электрического отталкивания молекул друг от друга зависит от расстояния между их электронными оболочками, предполагается, что при нагреве газа в режиме изобары это расстояние должно сохраняться.
При нагреве плотность газа уменьшается из-за увеличения молекул в размере при сохранении расстояния между их электронными оболочками.
При расчётах принято, что воздух состоит только из молекул азота.
Введём обозначения: т - масса молекулы, <1 - плотность азота, Б - диаметр молекулы, п - количество молекул в единице объёма, Т - абсолютная температура, 1 - температура в °С, 8ц - расстояние между центрами молекул, 8об - расстояние между оболочками молекул.
Считая, что в жидком азоте молекулы расположены компактно, по плотности жидкого азота при атмосферном давлении, < = 808кг/м3 и массе молекулы азота, т = 4,7*10А(-26) кг определим диаметр молекулы азота по формуле:
Б = 8ц = (т/а)А(1/3). Получим Б = 3,9х10А(-10) м.
Плотность газообразного азота при 1 = - 196 (Т=77), < = 4,38 кг/м3. Расстояние между центрами молекул 8ц = (т/<)А(1/3) = 22,1х10А(-10)м. Расстояние между оболочками 8об = 8ц - Б = 18,2х10А(-10)м.
Выведем формулу зависимости диаметра Б от температуры Т. Основой для расчёта послужат параметры газа при Т = 77 (1 = - 196), газовые законы, а также постоянство расстояния 8об. при нагреве газа в режиме изобары.
Плотность газа при температуре Т: < = 4,38х77/Т. Подставим это значение в формулу 8ц = (т/а)А(1/3), получим 8ц = 5,2х(Т)А(1/3)х10А(-10)м.
Поскольку диаметр молекул Б = 8ц - 8об, общая формула для расчета диаметра молекул при температуре Т принимает вид:
Бх10А(10), м = 5,2х (Т)А(1/3) - 18,2
В таблице приведена расчётная величина диаметра молекул азота при разных температурах и атмосферном давлении.
Таблица - Расстояние между центрами молекул и диаметр молекул азота при разной температуре и атмосферном давлении, (8ц и Б)х10А(10), м
t,°c - 196 - 173 - 123 -73 - 23 + 27 + 77
D 3,9 5,9 9,4 12,2 14,6 16,6 18,4
S^ 22,1 24,1 27,6 30,4 32,8 34,8 36,6
Из таблицы следует, что диаметр молекул азота при нагреве газа в режиме изобары от минус 196°С до плюс 77°С увеличивается почти в 5 раз (с 3,9 до 18,4), и становится равным расстоянию между оболочками молекул.
Список использованной литературы:
1. Коэффициент сжимаемости воздуха, wiki - fire. org/ (электронный ресурс).
2. ГСССД 4-78. Азот жидкий и газообразный. Таблица 1. Плотность азота (электронный ресурс).
3. Справочник химика 21 (электронный ресурс).
4. «Физическая энциклопедия» под ред. А.Прохорова, т.1, 1988г.
5. А.Каминский, С.Шмоль, «Космофизические факторы в спектре амплитуд флуктуаций в броуновском движении». Изв. вузов «ПНД», т.19, №1, 2011г.
6. «Архимед», Сочинения, вступ.ст. Веселовского. Изд. ФМЛ, 1962г.
7. В.Костюшко, «Экспериментальная ошибка П.Лебедева - причина ложного вывода о существовании давления света», 2006 (электронный ресурс).
© Федоровский В.Е., 2020
