Связь законов термодинамики с квантовыми процессами, происходящими в атомной модели вещества Текст научной статьи по специальности «Физика»

3. Магомедов И.И., Магомедов Р.И. Моделирование изменения мощности ансамбля предприятий стохастическими уравнениями // Функционально-диф ур-я и их приложения: сб. статей IV Математической междун. науч. конф. (2124 сентября 2009 г., г. Махачкала). - Махачкала: Изд. ДГУ, 2009. - С. 140-146.

4. Математическая энциклопедия. Т. 1. - М.: Наука, 1977.

5. Ионкин Н.И. Решение одной краевой задачи теории теплопроводности с неклассическим краевым условием // Диффуравнения. - 1977. - Т. ХШХ, № 2. - С. 294-304.

СВЯЗЬ ЗАКОНОВ ТЕРМОДИНАМИКИ С КВАНТОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ, ПРОИСХОДЯЩИМИ В АТОМНОЙ МОДЕЛИ ВЕЩЕСТВА

© Марсов У.С.

Украина, г. Симферополь

Представлен процесс перехода законов термодинамики с качественного уровня на количественный.

Термодинамика (ТД) является наукой о закономерностях превращения энергии. Само название «термодинамика» указывает на происхождение этой науки, занимающейся первоначально изучением теплоты.

Однако в дальнейшем она включила в себя изучение превращения энергии. ТД основана на небольшом числе утверждений, которые в сжатой форме включают в себя огромный опыт человечества по изменению свойств энергии в процессе ее превращений, эти утверждения носят название законов или начал ТД, являющихся в основном лишь обобщением непосредственного опыта и объяснялись в основном на качественном уровне.

1. Определение законов ТДна качественном уровне

Всего насчитывается четыре закона ТД.

Первым во времени было установлено второе начало ТД, последним -нулевое начало, в промежутке между ними были установлены первое и третье начала ТД.

К нулевому началу ТД относится температура термодинамическая (ТТД).

ТТД - одно из самых глубоких понятий ТД, которая играет столь же важную роль в ТД, как, например, время в разделе физики, поскольку непосредственным образом входит во все начала ТД, и на качественном уровне формулируется как: «Температура характеризует степень нагретости вещества».

Первое начало ТД кратко формулируется как: «Энергия сохранятся», при этом считается, что понятие энергии интуитивно ясно и адекватно отражается в своем определении: «Энергия - это способность совершать работу».

Второе начало ТД устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов.

В связи с этим достаточно заметить, что об этой асимметрии свидетельствуют все окружающие нас явления, как например: горячие тела с течением времени охлаждаются до температуры окружающей внешней атомно-молекулярной среды, раскачивание подвешенного груза, в конце концов, прекращается, прекращение течения рек у моря и т.д., и т.п.

Второе начало ТД показывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии.

Третье начало ТД касается свойств вещества при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность искусственного охлаждения вещества до ТТД абсолютного нуля, посредством конечного числа шагов.

2. Объяснение ТТД (®) на количественном уровне, связанном с квантовыми процессами, происходящими в атомной модели вещества

Несмотря на свою элегантность, логичность и внутреннюю согласованность, ТД остается неполной до тех пор, пока не будет установлена ее связь с атомной моделью вещества.

Следует отметить, что если определение законов ТД на качественном уровне является следствием причин, предшествующим им, то законы ТД на количественном уровне должны показать зависимость их в количественном соотношении между некими физическими величинами, которые в свою очередь также могут зависеть от других физических величин. Так, исследования [1-3] показали, что ТТД «0» - не является основной физической величиной, а является производной физической величиной с размерностью:

МапГ' (1)

с наименованием кельвин, обозначенным как «К», где (Ма„) выражает массу энергетическую, Ма„, отвечающую эквивалентной энергии W, а «7» выражает квантовое время (KB), связанное с элекгронноквантовыми процессами, происходящими в квантовой атомномолекулярной модели вещества при отсутствии или присутствии процесса химической реакции горения топлива (ХРГТ), равное 23 х 10-41 секунды.

Из выражения Мап.Т' видно, что величина, Т, является константой, в то время как величина, Мап, является величиной переменной, зависящей от массы энергетической валентного электрона (ВЭ), тап.гаЬ.е, генерируемой ВЭ за квантовое время, Т = 23 х 10-41 секунды. Величина же, таПгГаь.е, в свою очередь зависит от вида топлива, участвующего при ХРГТ, от главного квантового числа, п = 1, 2, 3... и частоты колебания ВЭ, v.

Так, например, при химической реакции горения (ХРГ) водорода «Н2»: тап.гаЬ.е = 0,74 х 10-36 кгап при п = 1, а при ХРГ углерода «С2»:

та„.гаь.е = 0,37 х 10-36 кга„ при „ = 2. Поэтому температура термодинамическая, ТТД, при горении водорода, Н2, будет:

0,74 -10~36 кг Т ' 23-10~41 сек.

ТТДН2 =©8о,и2 = = ' ^-41 ■■.ш = 3217К (2)

а при ХРГ углерода:

0,37 -10~36 кг.

ттДс = ®80гс = --4-- = 1609 К (3)

°2 80гС2 23 -10"41 сек.

С другой стороны, при отсутствии процесса ХРГТ, температура термодинамическая, ТТД, окружающей атомномолекулярной среды (АОМС), ®ашо1*ге<1., определяется согласно равенства:

т х с^ ^^

гл _ ап.гаЬ.е_ _ гаЬ.е ту-

^al.mol.sred ~ _ К (4)

кв кв

где тапгаЬ.е - масса энергетическая, (та„), суммарная рабочего электрона (т.е. валентного электрона, ВЭ) каждого атома ОАМС; с - скорость света (фотона) ~ 3 х 108 м/сек.;

кв - постоянная Больцмана, равная 1,380662 х 10 23 Дж/К, постоянная величина, соответствующая энергии кванта (ЭК), испускаемой за один оборот вокруг ядра атома, т.е. это энергия кванта электрона (ЭнКЭл) при отсутствии ХРГТ.

Аналогично, с соотношением (4), температура горения топлива, &?ог1ор, выразится, как:

т„ гаЬ.е Х С' = Ка

К к„

©"1 ап.гаЬ.е ^ ^ " гаЬ.е т/-¡оопор. =-;-= —— К (5)

где кх - энергия кванта ВЭ, испускаемая им за одно оборачивание вокруг ядра атома для повышения температуры на один кельвин «1 К» при ХРГТ, равной величине 2,07 х 10-23 Дж/К.

Исходя из этого, мы можем выразить, &, при отсутствии ХРГТ (т.е. температуру окружающей атомномолекулярной среды) - следующим образом:

_ кв х V

®а,.то1.^ =—.-К = V X К (6)

кв

где V - частота колебания каждого ВЭ за 23 х 10-41 секунды, как при ХРГТ, так и при отсутствии ХРГТ.

Аналогично, и для:

^ кх х V „

® ео,,оР = ^К = V х К (7)

Таким образом, мы видим, что ТТД - прямо пропорциональна частоте колебания ВЭ (рабочего электрона атома) за квантовое время - 23 х 10~41 секунды.

Следует заметить, что ТТД соответствует частоте колебаний валентного электрона, V, любого атома ОАМС, численно полностью совпадает с величиной, V, т.е. & ~ V.

Однако, если температура ОАМС - величина переменная, т.к. полностью зависит от получения энергии извне (солнечная энергия, отопление, день и ночь и пр.), в то время как при ХРГТ это энергия строго определена для каждого вида топлива, например:

- для водорода = (0,74 х 10~36 х с2) Дж;

- для метана = (0,53 х 10~36 х с2) Дж;

- для дизтоплива = (0,47 х 10~36 х с2) Дж;

- для углерода = (0,37 х 10~36 х с2) Дж.

3. Объяснениепервого начала ТД на количественном уровне, связанного с квантовыми процессами в атомной модели вещества

Так как наша цель заключается в выявлении связи законов ТД с квантовыми процессами, происходящими в атомной модели вещества, то чтобы показать как «энергия сохраняется», рассмотрим сначала энергию как таковую, например, фотона, т.к. теплота сгорания топлива прямо пропорциональна количеству выделения фотонов, приходящихся на одну единицу измерения какого-либо топлива.

Исследование [3] показало, что преобразование выражения энергии фотона, показанное на уровне размерностей, привело к выражению энергии через конкретные физические величины, а именно:

Ег = с х ©г х ^ = 3 х 108 х 12,87 х 103 х 0,69 х 10~31 = 2,664 х 1049 Дж (8)

где с - скорость света ~ 3 х 108 м/сек.;

0, - температура ТД ядра фотона и самого фотона, равная 12,87 х 103 К;

- суммарная длина длин микроволн, равная 0,69 х ю-31 м, возникающая за счет излучаемых ЭнКЭл внешним спутником фотона, при его движении за один фотонный период, равный 23 х 10 41 секунды [3].

Поскольку, как ранее было показано, что ТТД (&■) связана с квантовыми процессами, происходящими в атомной модели вещества, то вследствие этого Ж, также связана с этими квантовыми процессами.

Далее, поскольку теплота сгорания, Н, т.е. тепловая энергия, выделяемая при ХРГТ, полностью связана с суммой энергий фотонов, приходящихся на единицу измерения количества топлива (моль, м3, кг), то поэтому

можно рассматривать первый принцип ТД, гласящий, что: «Энергия сохраняется», на примере работы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

Так, порция энергии, выделенная в камере сгорания от сгорания порции топлива, полностью равна сумме энергий, расходуемых на операции, связанными для осуществления рабочего хода, т.е. преобразования тепловой энергии в механическую энергию, генерируемую двигателем. Так:

= + + + + + + Ж8, (9)

где: W1 - порция энергии от сгорания порции топлива;

Ш2 - энергия, расходуемая на всасывание рабочей смеси;

W3 - энергия, расходуемая на сжатие рабочей смеси;

W4 - энергия рабочего хода;

W5 - энергия, расходуемая на выхлоп отработанных газов;

W6 - энергия, уходящая с отработанными газами;

W7 - энергия, уходящая с охлаждающей водой и лучеиспусканием нагретых поверхностей;

W8 - энергия, расходуемая на силу трения движущихся частей двигателя.

Все это подтверждает закон, что «Энергия - это способность совершать работу».

Все эти действия сопровождаются изменением температуры с изменением частоты колебания, V, каждого рабочего электрона.

4. Объяснение второго начала ТД на количественном уровне, связанного с квантовыми процессами в атомной модели вещества

Как было отмечено в пункте 1: «Второе начало ТД устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов».

Здесь мы видим, что это явление в ТД связано с падением температуры нагретого вещества до температуры окружающей среды, сопровождаемой снижением частоты колебаний рабочих электроном (т.е. ВЭ), происходящих в атомной модели вещества, при лучеиспускании, теплопроводности и конвекции.

5. Объяснениетретьего начала ТД на количественном уровне, связанного с квантовыми процессами в атомной модели вещества

Как было отмечено в пункте 1, «третье начало ТД касается свойств вещества при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность искусственного охлаждения вещества до ТТД, равной абсолютному нулю, посредством конечного числа шагов».

Здесь мы видим, что это явление также связано с температурой зависимой от квантовых процессов, происходящих в атомной модели вещества.

Однако объяснение этого явления связано с главным квантовым числом п = 1, 2, 3..., соответствующему порядковому номеру круговой орби-ты рабочего электрона по эллиптическим орбитам вокруг ядра атома, при этом имеет большое значение форма орбиты и размер перигея орбиты, т.е. минимального расстояния от ядра атома до ближней точки орбиты.

При увеличении температуры, форма орбиты делается более продолговатой и связана с сокращением величины перигея, в то время как при снижении температуры форма эллипса орбиты делается более круглой [5].

Минимальная величина главного квантового числа равна единице, т.е. п = 1, происходящей при ХРГТ водорода, связанного с отсутствием в ядре атома водорода нейтрона, при этом температура горения водорода достигает величины, равной 3217 К, при ХРГТ химически чистого угля (т.е. углерода), величина главного квантового числа равна уже двум (п = 2), т.к. размер ядра атома углерода увеличивается за счет присоединения к протону нейтрона, при этом температура горения углерода падает в два раза и равняется 1609 К.

При температуре 1 К, главное квантовое число п = 3217, т.е. величина температуры вещества в зависимости от величины главного квантового числа выразится, как:

3217

©= —2— К, (10)

п

где п - главное квантовое число.

Поэтому при температуре, равной одному кельвину, 1 К, соотношение (10) станет:

3217

©= — = 1К (11)

3217

Поэтому для достижения температуры какого-либо вещества, равного нулю, главное квантовое число, п, должно увеличиться до бесконечности, т.е.:

3217

©=-= 0К (12)

<х

что практически невозможно, т.к. противоречит природе вещей.

В связи с выше изложенным о третьем начале ТД, нельзя не заметить, что явление сверхпроводимости и сверхтекучести некоторых веществ при определенных низких температурах, по всей очевидности, связано с формой орбиты рабочего электрона атома, приближающейся к эксцентрической окружности с минимальной разностью величины апогея с перигеем каждого рабочего электрона атома охлаждаемого вещества.

6. Результаты исследования

Как было ранее отмечено, что ТД остается неполной до тех пор, пока не будет установлена ее связь с атомной моделью вещества, поэтому согласно данному исследованию, выполненному на количественном уровне, мы по каждому началу ТД имеем следующие количественные взаимодействия физических величин, участвующих в законах ТД:

1. нулевое начало ТД характеризуется соотношениями (1-7), где участвуют следующие физические величины:

- Man. - масса энергетическая;

- Т - квантовое время = 23 * 10-41 секунды;

- manrab.e - масса энергетическая рабочего электрона (т.е. валентного электрона, ВЭ);

- n - главное квантовое число, n = 1, 2, 3...;

- кв - постоянная Больцмана = 1,380662 * 10 23 Дж/K, которая является квантом энергии ВЭ, испускаемого рабочим электроном (т.е. ВЭ) за одно оборачивание вокруг ядра атома для повышения температуры AMC на один кельвин (K), при отсутствии ХРГТ;

- кх - постоянная, равная энергии кванта ВЭ, испускаемая им за одно оборачивание вокруг ядра атома для повышения температуры на один кельвин (K), при ХРГТ = 2,07 * 10-23 Дж/K;

- v - частота колебаний ВЭ;

- с - скорость света (фотона) ~ 3 * 108 м/сек;

2. первое начало ТД характеризуется соотношениями, связанными с ТТД и физическими величинами:

- Ef - энергия фотона = 2,664 * 10-19 Дж;

- с - скорость света;

- &f - температура ТД ядра фотона и самого фотона, равная 12,87 * * 103 K;

- Ачит. - суммарная длина длин микроволн = 0,69 * 10-31 м, возникающих за счет излучаемых внешним спутником фотона, при его движении за один фотонный период, равный 23 * 10-41 секунды;

3. второе начало ТД характеризуется самопроизвольным падением температуры вещества при наличности разности температур двух систем до выравнивания их температур;

4. третье начало ТД объясняется на количественном уровне, невозможностью достижения нулевой температуры вещества, т.к. величина главного квантового числа, n, никогда не может достигнуть значения бесконечности.

Список литературы:

1. Марсов УС. Самовосстанавливаемый энергетический ресурс // Сборник материалов II Международной научно-практической конферен-

ции «Наука и современность - 2010». Ч. 3. (16 апреля 2010 г.) / Под общ. ред. к.э.н. С.С. Чернова. - Новосибирск, 2010.

2. Марсов УС. К вопросу о новых и возобновляемых источниках энергии // Ученые записки Крымского государственного университета. - 2004.

- Вып. 5. - С. 20-23.

3. Марсов УС. Микромир электронных частиц: фотона и электронного нейтрино // Сборник материалов V Международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2010». Ч. 2. (4 октября 2010 г.) / Под общ. ред. к.э.н. С.С. Чернова. - Новосибирск 2010.

4. Нобелевская премия по химии за 2000 г.

5. Кухлинг. X. Квантовые числа // Кухлинг. X. Справочник по физике.

- МИР, 1982. - С. 421.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ В МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ

© Пешкичев Ю.А.*

ООО «Интеллект-Сервис», г. Новосибирск

Развивается теория скалярных и векторных полей на плоскости на основе последних достижений дифференциальной геометрии и геометрической теории функций по программе,заявленной автором в работе [1]. При этом используются следующие понятия: кривизна скалярного поля, матрица Гессе скалярного поля, обусловленность матрицы Якоби векторного поля, угол между градиентами скалярных полей.

1. Дифференциальная геометрия семейств линии уровня скалярного поля

Пусть и = и (М) - гладкое скалярное поле в плоской области О с линиями уровня Е (г) длины

Ь (г) и гауссовыми изображениями Щ(г) длины ЬЩ(г)). Если гауссово изображение рассматривать на единичной окружности:

X2 + >>2 = 1, / = г

в пространстве декартовых координат х,уД, то объединение всех множеств Щ(г) даёт область на цилиндре площади:

8(и, О) = \Ь(Ы (г)) ёг.

Для скалярного поля и = и (М) рассмотрим векторное поле единичного вектора нормали к линиям уровня:

* Кандидат физико-математических наук, доцент.