 |
Глава 5. Теплота. Рисунок 2
|
|
|
|
Глава 5
Теплота
Если атом подвергается действию внешней силы (такой как сила, вовлеченная в интенсивный контакт), ему придается движение. Если сила достаточно велика, атом выбрасывается из региона времени, и межатомное равновесие нарушается. Если силы недостаточно для выброса, движение возвращается к некоей промежуточной точке и становится вибрирующим (или колебательным) движением.
Если два или более атома объединяются в молекулу, молекула становится тепловой единицей. Утверждения об атомах в предыдущем параграфе относятся и к молекулярным единицам. Чтобы избежать постоянного повторения выражения “атомы и молекулы”, ссылки на тепловые единицы в последующем обсуждении будут выражаться в терминах молекул, за исключением того, когда мы будем иметь дело с веществами, такими как совокупности металлических элементов, в которых тепловыми единицами определенно являются единичные атомы. В целях обсуждения, индивидуальные атомы будут рассматриваться как одноатомные молекулы.
Тепловое движение сильно отличается от вибрационных движений нашего повседневного опыта. В вибрациях, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, происходит непрерывный переход из кинетической энергии в потенциальную энергию и наоборот, приводящий к периодическому перевороту направления движения. При таком движении точка равновесия фиксирована и не зависит от амплитуды вибрации. Однако в ситуации с теплотой любое движение вовнутрь в контексте фиксированной системы отсчета совпадает с последовательностью естественной системы отсчета и, следовательно, не оказывает физического влияния. Движение по направлению наружу физически эффективно. Поэтому с физической точки зрения тепловое движение – это итоговое движение наружу, прибавляющееся к гравитационному движению (которое является движением наружу в регионе времени) и смещающее точку равновесия в направлении наружу.
|
|
|
Чтобы действовать описанным образом, совпадать с последовательностью естественной системы отсчета в период фазы вовнутрь теплового цикла и действовать в соединении с гравитацией в период фазы наружу, тепловая вибрация должна быть скалярным движением. Как и в случае с вибрационным движением фотонов, единственной, доступной формой движения является простое гармоническое движение. Тепловое колебание идентично колебанию фотона, за исключением того, что направление коллинеарно последовательности естественной системы отсчета, а не перпендикулярно к ней. Однако подавление физических влияний вибрации во время половины цикла, в которой тепловое движение совпадает с последовательностью системы отсчета, придает этому движению физические характеристики прерывистого ненаправленного движения, а не характеристики обычной вибрации. Поскольку в период половины общего цикла движение совершается наружу, каждая естественная единица тепловой вибрации обладает итоговой действующей величиной, равной половине единицы.
Ввиду того, что тепловое движение является свойством индивидуальной молекулы, а не аспектом отношения между молекулами, здесь не применяются коэффициенты, которые входят в игру на расстояниях меньше единицы, и направление теплового движения в контексте стационарной системы отсчета – всегда движение наружу. Следовательно, как указывалось раньше, непрерывное увеличение величины теплового движения постепенно приводит к нарушению межатомной силы равновесия и выбросу молекулы из региона времени. Однако гравитационное движение не вносит свой вклад в этот результат, поскольку оно меняет направление на границе единицы. Выброс не может совершаться, пока величина теплового движения не адекватна для достижения такого результата.
|
|
|
Когда молекула обретает тепловое движение, она сразу же начинает передавать его своему окружению посредством одного или более процессов, которые будут детально рассматриваться в уместных местах позже в этом и последующих томах. Наряду с вытеканием происходит и втекание теплового движения из окружения, и при отсутствии внутренне поддерживаемой несбалансированности, равновесие сразу же достигает точки, в которой втекание и вытекание равны. О любых двух молекулах или совокупностях, установивших равновесие друг с другом, говорят, что они имеют одинаковую температуру.
Во вселенной движения, определенной постулатами Обратной Системы, скорость и энергия имеют равный статус с точки зрения вселенной в целом. Но на низкоскоростной стороне от нейтральной оси, где находятся все материальные явления, энергия – это количество, превышающее единицу. Следовательно, равенство движения в материальном секторе означает равную энергию. Таким образом, температурное равновесие – это состояние, при котором втекание и вытекание энергии равны. Если тепловая энергия молекулы полностью задействована в передаче контакта с другими единицами материи, ее температура прямо пропорциональна общему содержанию тепловой энергии. При таких условиях,
| E = kT | (5-1) |
В естественных единицах числовой коэффициент k убирается, и уравнение становится
| E = T | (5-2) |
Объединяя уравнение 5-2 с уравнением 4-3, мы получаем общее уравнение газа PV = T, или в традиционных единицах, где R является газовой константой
| PV = RT | (5-3) |
Именно такие отношения превалируют в “состоянии идеального газа”. Везде отношения между температурой и энергией зависят от характеристик процесса передачи. В регионе времени излучение происходит трехмерно и одномерно входит в контакт во внешнем регионе. Следовательно, оно четырехмерно, а температура лишь одномерна. Таким образом, мы обнаруживаем, что энергия излучения пропорциональна четвертой степени температуры.
| Erad = kT4 | (5-4) |
|
|
|
Такое отношение подтверждается наблюдением. В процессе передачи энергии тепловое движение, возникающее внутри единицы расстояния, подобно четырехмерному движению. Однако оно не передается во внешний регион напрямую, как это делает излучение. Передача – это процесс контакта, она подчиняется общему межрегиональному отношению, объясненному раньше. Вместо E = kT4 как при излучении, тепловое движение равно E2 = k’T4 или
| E = kT2 | (5-5) |
Модификация этого отношения происходит в результате распределения теплового движения на три измерения времени, в то время как действующий компонент при температурном обмене лишь одномерен. Он нематериален до тех пор, пока тепловое движение ограничивается одной единицей вращения, но действующий компонент теплового движения магнитного смещения вращения n составляет лишь 1/n3 от общей величины. Следовательно, мы можем обобщить уравнение 5-5 с помощью применения этого коэффициента. Подставляя обычный термин теплота (символ Н) в тепловую энергию Е в регионе времени, мы имеем:
| H = T2/n3 | (5-6) |
Общая трактовка теплоты в традиционной физической теории основана на эмпирике, и новое теоретическое развитие повлияло на нее лишь незначительно. Следовательно, в настоящей работе нам не потребуется уделять какое-то внимание этой теме там, где мы не следуем политике дублирования доступной информации, за исключением того, когда ссылка на эту информацию потребуется во избежание пробелов в теоретическом развитии. С другой стороны, термические характеристики отдельных веществ еще не достаточно исследованы. Поскольку они представляют значимую важность с точки зрения практического применения и света, который они проливают на фундаментальные физические взаимоотношения, уместно включить обсуждения статуса этих положений во вселенной движения. Одним из самых характерных термических свойств материи является удельная теплота – приращение теплоты, требующееся для создания удельного прироста температуры. Она может быть получена дифференцированием уравнения 5-6.
|
|
|
| dH/dT = 2T/n3 | (5-7) |
Ввиду того, что теплота – это просто одна из форм энергии, она обладает той же естественной единицей, что и энергия в целом, 1. 4918 x 10-3 эрг. Однако привычнее измерять ее в терминах особой единицы тепловой энергии, и для нынешних целей естественная единица теплоты будет выражаться как 3. 5636 x 10-11 грамм-калорий, эквивалент единицы энергии в целом.
Строго говоря, количество, к которому применяется уравнение 5-7, - это удельная теплота при нулевом давлении, но давления обычного опыта очень низкие на шкале, где единица давления составляет свыше 15 млн. атмосфер. Но вопрос, работает ли это уравнение так же хорошо при всех давлениях (проблема, еще не исследованная теоретически), не вызывает озабоченности. Мы можем считать уравнение применимым при любом условии постоянного давления, с которым будем сталкиваться на практике.
Естественная единица удельной теплоты – это одна естественная единица теплоты на естественную единицу температуры. Величину можно вычислить в терминах ранее установленных величин, но результат не может выражаться в терминах традиционных единиц потому, что традиционные шкалы температур основаны на свойствах воды. Шкалы, которыми пользуются в научных целях, - это шкала Цельсия, принимающая за нуль состояние льда, и шкала Кельвина, работающая с теми же единицами, но измеряющая их от абсолютного нуля. В данной работе все температуры – это абсолютные температуры, поэтому они будут устанавливаться в терминах шкалы Кельвина. В целях единообразия к разницам температуры будет применяться обозначение Кельвина (oK, или просто K), а не привычное обозначение Цельсия (oC).
Чтобы установить отношение шкалы Кельвина к естественной системе, понадобится воспользоваться реально измеренной величиной физического количества, включая температуру, как мы уже пользовались частотой Ридберга, скоростью света и числом Авогадро для установления отношений между естественными и традиционными единицами времени, пространства и массы. Самая удобная эмпирическая величина для этой цели – газовая константа. Как станет ясно из фактов в обсуждении газообразного состояния в следующем томе этой серии, газовая константа – это эквивалент 2/3 естественной единицы удельной теплоты. Поэтому мы можем принять измеренную величину данной константы, 1, 9869 калорий или 8, 31696 x 107 эрг на грамм моль на градус Кельвина, за основу для преобразования традиционных единиц в естественные. Эта величина обычно выражается символом R, и на последующих страницах символ будет работать традиционным способом. Следует иметь в виду, что R = 2/3 естественной единицы. Для общих целей удельная теплота будет выражаться в терминах калорий на грамм моль на градус Кельвина. Это позволит проводить прямое сравнение с эмпирическими данными, собранными на этой основе. Было бы довольно затруднительно определять эти единицы в каждом примере, поэтому для удобства будут приводиться лишь числовые величины. Предшествующие единицы должны быть понятны.
|
|
|
Деля газовую константу на число Авогадро, 6, 02486 x 1023 на грамм-моль, мы получаем постоянную Больцмана. Соответствующая величина на основе одной молекулы - 1, 38044 x 10-16 эрг/град. Как указывалось раньше, это 2/3 естественной единицы. Следовательно, естественная единица удельной теплоты составляет 2, 07066 x 10-16 эрг/град. Затем мы делим единицу энергии 1, 49175 x 10-3 эрг на единицу удельной теплоты и получаем 7, 20423 x 1012 градусов Кельвина, - естественную единицу температуры в регионе вне единицы расстояния (то есть, для газообразного состояния материи).
Также, нас будет интересовать единица температуры на основе T3, температуры, при которой тепловое движение достигает границы региона времени. Три четверти от 7, 20423 x 1012 составляют 4, 39735 x 109. Но тепловое движение – это движение материи, оно включает и 2/9 вибрационного дополнения к линейному движению атомов, распределенному на вращение. Это уменьшает действующую единицу температуры на коэффициент 1 + 2/9. В результате мы имеем 3, 5978 x 109 градусов К.
На первый взгляд, эта температурная единица может показаться невероятно большой, поскольку она намного превышает любую наблюдаемую температуру. Она намного превышает и нынешние оценки температур внутри звезд, которые, согласно нашим теоретическим открытиям, могут приближаться к единице температуры. Однако указание на ее правомочность может быть получено только путем сравнения с единицей давления, ввиду того, что температура и давление являются относительно простыми физическими количествами, с похожими, но противоположными влияниями на большинство физических свойств, и, следовательно, должны иметь единицы сравнимой величины. Традиционные единицы, °К и грамм на кубический сантиметр, выведены из измерения свойств воды, и, следовательно, являются приблизительно одного размера. Таким образом, отношение естественных единиц к традиционным единицам должно быть приблизительно одинаковым как у температуры, так и у давления. Величина только что вычисленной температурной единицы, 3, 5978 x 109 °К, удовлетворяет этому теоретическому требованию, поскольку естественная единица давления, выведенная в томе 1, составляет 5, 386 x 109 г/см2.
За исключением степени, в которой она входит в определение величины газовой константы, естественная единица температуры, определенная для газообразного состояния, не играет значимой роли в земных явлениях. Здесь нас в первую очередь интересует единица, применяемая к сгущенным состояниям. Точно так же, как газовая единица связана с максимальной температурой газообразного состояния, так и более низкая единица связана с максимальной температурой жидкого состояния. Это тот температурный уровень, при котором единичная молекула покидает регион времени в одном измерении пространства. Движение в этой области низкой энергии имеет место лишь в одном скалярном измерении. Следовательно, мы уменьшаем трехмерную единицу, 3, 5978 x 109 K, до одномерной основы и делим ее на 3 из-за ограничения одним измерением пространства. Тогда, естественная единица, применимая к сгущенному состоянию, составляет 1/3 (3, 598 x 109)¹ /3 градусов К = 510, 8 ˚ К.
Величина этой единицы была оценена эмпирически в ходе изучения объема жидкости, проделанного перед публикацией Структуры физической вселенной в 1959 году. Выведенная в то время величина была 510, 2, она использовалась в ряде статей о жидком состоянии, которые описывали вычисление числовых величин разных свойств жидкости, включая объем, вязкость, поверхностное натяжение и важные константы. И единица жидкости 510, 2, и единица газа приводились в публикации 1959 года, но приведенная там единица газа была значительно увеличена на коэффициент 2 в результате пересмотра начального вывода.
Поскольку базовые линейные вибрации (фотонов) атома вращаются во всех измерениях, они обладают активными компонентами в измерениях любого температурного движения, каким бы ни было это измерение; также, они обладают подобными компонентами, параллельными движениям, распределенным во вращении. Как мы обнаружили в исследовании влияния в ситуации вращения, базовый вибрационный компонент составляет 2/9 первичной величины. Поскольку температурное движение совершается во времени (эквивалентном пространстве), его скалярное направление не фиксировано относительно направления вибрационного компонента. Поэтому вибрационный компонент будет либо дополнять, либо препятствовать температурной удельной теплоте. Итоговая удельная теплота, измеренная величина, - это алгебраическая сумма двух этих компонентов. Вибрационный компонент не меняет линейного отношения удельной теплоты к температуре, но изменяет нулевую точку, как показано на Рис. 2.
Рисунок 2
На рисунке, линия ВВ' – это кривая удельной теплоты, выведенная из уравнения 5-7, принимая величину n и нулевой первичный уровень за постоянные. Если скалярное направление вибрационного компонента противоположно направлению температурного движения, начальный уровень положительный; то есть, для нейтрализации вибрационной энергии перед любым подъемом температуры должно обеспечиваться определенное количество теплоты. В этом случае, удельная теплота следует линии АА ', расположенной выше и параллельно линии ВВ '. Если скалярное направление вибрационного компонента совпадает с направлением температурного движения, начальный уровень отрицательный, и удельная теплота следует линии СС ', тоже параллельной ВВ ', но ниже нее. Здесь имеется действующая температура за счет вибрационной энергии перед тем, как происходит любое температурное движение.
Хотя начальный компонент молекулярного движения и задействован в определении температуры, его величина не меняется, следовательно, он не передаваем. Поэтому даже если начальный уровень отрицательный, нет отрицательной удельной теплоты. Если сумма отрицательного начального уровня и температурного компонента отрицательная, действующая удельная теплота молекулы равна нулю.
По ходу следует заметить, что существование второго фиксированного компонента удельной теплоты подтверждает вибрационный характер базового составляющего атомной структуры, составляющего, который мы определили как фотон. Демонстрация наличия отрицательного начального уровня кривой удельной теплоты – явное свидетельство правомочности теоретического определения базовой единицы в атомной структуре как вибрационного движения.
Сейчас, уравнение 5-7 можно обобщить еще больше, чтобы учесть вклад удельной теплоты базовой вибрации: начальный уровень, который мы будем представлять символом I. Тогда величина измеряемой итоговой удельной теплоты составляет
| dH/dT = 2T/n3 +I | (5-8) |
Если между двумя возможными состояниями, между положительными и отрицательными начальными уровнями, есть выбор, превалирование определяется соображениями вероятности. При прочих равных условиях самым вероятным будет условие наименьшей итоговой энергии. И поскольку при данной температуре отрицательный начальный уровень требует меньшей итоговой энергии, чем положительный, при низких температурах температурное движение основывается на отрицательном уровне до тех пор, пока движение на этой основе не сдерживается структурными факторами.
Увеличение энергии в регионе времени происходит за счет уменьшения действующей величины времени, включающее устранение последовательных единиц времени из периода вибрации. Следовательно, процесс прерывистый, но число эффективных единиц времени при обычных условиях настолько велико, что относительное влияние устранения одной единицы крайне мало. Кроме того, наблюдения тепловых явлений в твердом состоянии не имеют дела с единичными молекулами, а с совокупностями многих молекул, а измерения являются усредненными. Поэтому для всех практических целей мы можем считать, что удельная теплота твердых тел увеличивается в непрерывном отношении к температуре, следуя паттерну, определенному уравнением 5-8.
Как указывалось раньше в этой главе, температурное движение не может пересекать границу региона времени до тех пор, пока его величины недостаточно для преодоления последовательности естественной системы отсчета без помощи со стороны гравитационного движения; то есть, оно должно достичь величины единицы. Максимальная температурная удельная теплота, общее приращение выше начального уровня, - это величина, превалирующая в точке, где температурное движение достигает уровня единицы. Мы можем оценить ее, придавая каждому из терминов Т и n в уравнении 5-7 величину единицы. На этой основе мы находим, что она равна 2 естественным единицам или 3R. Обычный первичный уровень составляет –2/9, а 3R – это удельная теплота или –2/3R. Тогда суммарная величина 3R достигается при итоговой, положительной удельной теплоте 2 1/3 R.
Выше уровня температурной удельной теплоты 3R, соответствующего границе региона, температурное движение покидает регион времени и подвергается изменению, требующему значительного вклада тепловой энергии для поддержания той же температуры, что будет объясняться позже. Условие минимальной энергии, самое вероятное условие, обеспечивается за счет устранения смены региона любыми доступными средствами. Одним из таких средств, единственным доступным для молекул, у которых температурно колеблется лишь одна единица вращения, является изменение начального уровня с отрицательного на положительный. Если начальный уровень составляет +2/3 R вместо –2/3 R, итоговая, положительная удельная теплота составляет 3 2/3 R в точке, где температурная удельная теплота достигает предела 3R. Пока поддерживается этот более высокий уровень, перехода из региона не требуется.
Ввиду того, что магнитное вращение является базовым вращением атома, максимальное число единиц, способных вибрировать температурно, обычно определяется магнитным смещением. Дальнейшие ограничения налагаются низкими температурами плавления и определенными структурными факторами. Имеется несколько элементов и большое число соединений, которые следуют паттерну удельной теплоты, изображенному на рисунке 3 или какой-то его части. Если температурное движение растягивается до второй единицы магнитного вращения, вращения два, то, пользуясь терминологией обсуждения межатомного расстояния, можно сказать, что паттерн рисунка 3 следует уровню 2 1/3. В этой точке активируется вторая единица вращения. Начальный уровень удельной теплоты вращения два подвергается влияния того же коэффициента n3, что и температурная удельная теплота, и составляет 1/n3 x 2/3 R = 1/12 R. Такое изменение отрицательного начального уровня повышает итоговую, положительную удельную теплоту, соответствующую температурной величине 3R, с 2, 333 R до 2, 917 R, и позволяет температурному движению продолжаться на основе предпочтительного отрицательного начального уровня вплоть до значительно более высокой температуры.
|
|
|
