Фізичний сенс адіабатного процесу (Частина 1 - Тиск газу), Клуб поціновувачів фізики
Фізичний зміст адіабатного процесу (Частина 1 - Тиск газу)
3. Запрошую до співпраці щодо розробки основних положень електромагнітної теорії теплоти всіх бажаючих
4. Далі буде.
Добре відомо, що при стисканні газу підвищується його тиск та температура. Відповідно, при розширенні газу температура та тиск падають. Якщо при цьому система (стиснутий газ і ємність, в якому цей газ містяться) не обмінюється тепловою енергією один з одним і з навколишнім простором, такі процеси стиснення і розширення називаються адіабатними (адіабатичними).
Сучасна теоретична фізика (статистична фізика, статистична механіка, фізична кінетика) досі пояснює зміну тиску та температури газів роботою, яка здійснюється над газами при їх стисканні або яку здійснює сам газ при розширенні. Див, наприклад: EE%F6%E5%F1%F1 )
Характер зміни величин тиску і температури газів при адіабатному процесі в сучасній теоретичній фізиці вважається потенційною функцією, основою якої є об'єм, що займає газ певною масоюV, а показник залежить від т.зв. показника адіабатиk :
k =C(p)/ C(V), де
Cp таCV - теплоємності газу при постійному тиску та постійному обсязі, відповідно.
Для ідеальних газів, з якими так любить мати справу сучасна теоретична фізика, теплоємності яких вважаються постійними, характер зміни тиску та температури визначається найпростішими рівняннями:
p=const/V^k=constV ^(-k),
T =const /V^(k-1)= constV^(1-k), де
p - тиск газу,
V – обсяг, зайнятий газом,
T – температура газу (абсолютна),
k – показник адіабати.
Тому ж самому навчають і всі сучасні шкільні підручники та курси лекцій із загальної фізики.
Сучасна теоретична фізика вважає, що величина показника адіабатиk дорівнює 5/3 для одноатомних газів, 7/5 – для двоатомних та 4/3 – для трихатомних газів. Зміна величини показника адіабати прийнято доводити кількістю деяких «ступенів свободи» у газоподібних молекул. Хоча абсолютно ніякої логіки і жодного фізичного сенсу у спробі пов'язати ці самі «ступені свободи» з величиною показника адіабати немає.
Що ж відбувається при адіабатних процесах з газами відповідно до електромагнітної теорії теплоти (ЕТТ), що розробляється мною.
Згідно з ЕТТ агрегатний стан речовини визначається поточним розподілом електронів атомів, що входять до складу молекули. Існує три основні електронні рівні – газоутворюючий, в якому може знаходитися не більше двох електронів, гідрогенний («рідинний») і кристалоутворюючий, в групах яких може міститися максимум по 8 електронів. Такі сьогодні уявлення ЕТТ про будову атомів і молекул, зроблені з урахуванням властивостей елементів періодичної таблиці Менделєєва.
Молекула реального газу гелію (He), найбільше відповідного на роль «ідеального» газу, представлена на рис. 1. Вона має одноатомне молекулярне ядро, до складу якого входить два протони і два нейтрони, і два електрони, які за нормальних умов розташовуються на газоутворювальному рівні –обертаючись по хитромудрих траєкторіях навколо молекулярного ядра, вони створюють навколо нього сферичне електронне «хмара».
Мал. 1. Газоподібна молекула He (гелію)
згідно з електромагнітною теорією теплоти.
Електрони, обертаючись навколо молекулярного ядра, виробляють т.зв. «електронна хмара», яка індукує електричне та магнітне поля. Ці поля, взаємодіючи з електричними та магнітними полями, що індукуються електронами сусідніх молекул, і змушують газоподібні молекули відштовхуватися один від одного, як однойменні електричні заряди та однакові полюси магнітів. Ці сили відштовхування молекул одна від одної і призводять до всіх добре відомих властивостей газів займати весь наданий обсяг, розсіюватися у вакуумі (космічному просторі), мати пружність, створювати, внаслідок дії сили тяжіння до Землі, атмосферний тиск, передавати тиск у різних напрямках, наприклад , звукові хвилі та ін. і т.п.
Припустимо, маємо якийсь циліндр з поршнем, наповнений молекулами «ідеального» газу гелію (див. рис. 2 зліва). Приклавши до штоку поршня деяку силуF, тобто. просто натиснувши на поршень, ми зменшили обсяг газу вn разів – наприклад, як показано на рис. 2 праворуч – удвічі.
Мал. 2. Адіабатний стиск газу
згідно з електромагнітною теорією теплоти.
Внаслідок стиснення газоподібні молекули гелію ущільнились, відстані між молекулярними ядрами зменшились. Відповідно, головні еквіпотенційні поверхні полів молекул скоротилися в розмірах, що наочно зображено на рис. 2.
До речі, рис. 2 наочно відображає характер ущільнення молекул. Хоча спершу здається, ніби я просто не намалював половину молекул усередині циліндра з поршнем. Придивітьсяуважно – у кожному ряді молекул малюнку справа – 9 штук, а ліворуч – вже 11. Я помилився. При зменшенні обсягу вдвічі відстань між молекулами зменшується лише одну п'яту частину – див. рис. 3.
Мал. 3. Зміна співвідношень довжини ребра та площі грані куба
при зменшенні його обсягу вдвічі.
Тобто, при зменшенні об'ємуn разів відстань між центрами газових молекул скорочується в куб.корінь з n> разів.
Визначимо, в якій пропорції збільшуються відштовхування сили між окремими молекулами (див. рис. 4).
Мал. 4. Збільшення сил відштовхування між окремими газовими молекулами під час стиснення газу.
Відповідно до закону Кулона, величина сили взаємодії двох точкових зарядів прямо пропорційна добутку модулів цих зарядівq1 іq2 і обернено пропорційна квадрату відстаніR між ними:
k у разі – коефіцієнт пропорційності.
Ця формула універсальна всім відомих полів – і магнітного і гравітаційного. Для гравітаційного поля, наприклад, цією формулою описується закон всесвітнього тяжіння:
деγ - гравітаційна постійна, по суті - той же коефіцієнт пропорційності, аm1 іm2 – маса тіл («гравітаційний заряд»).
У нашому випадку ми під позначеннямq1 іq2 розумітимемо умовну суму всіх типів «зарядів», що індукують відповідні поля – і електричного, і магнітного, і намагається протистояти їм гравітаційного (як відомо, гравітаційне поле створює лише сили тяжіння). Таким чином (див. рис. 4), до стиснення газу, окремо взяті молекули відштовхувалися один від одного із силою:
а після стиску – зсилою:
Таким чином, при зменшенні обсягу в n разів (фахівці в області двигунів внутрішнього згоряння називають цю величину ступенем стиснення) сила відштовхування між окремими молекулами збільшиться в:
У скільки разів у цьому випадку зросте тиск газу? Щоб правильно відповісти на це питання, пригадаємо, що таке тиск. Це величина зусилля одиницю площі.
Після стиснення, як ми визначили, зусилля кожної окремої газової молекули на внутрішню поверхню циліндра збільшилося в 2 рази. Але, крім цього, збільшилася і кількість молекул, що чинять тиск на ту саму площу внутрішньої поверхні циліндра (див. рис. 5).
Мал. 5. При стисканні газу збільшується кількість молекул,
що надають тиск на одиницю площі.
Припустимо, що якщо до стиснення на «одиничну» площу чинив тискa×a молекул, то, як абсолютно очевидно, після стиснення газу вn разів число цих молекул стало n> a × n> a = n>^ 2 a^ 2 . Тобто кількість газових молекул, які чинять тиск на «одиничну» площу, збільшилася в 2 рази.
Якщо кількість молекул, що надають тиск на одиницю площі поверхні, збільшилася в 2 рази, і сила тиску кожної молекули на поверхню теж збільшилася в 2 рази, то тиск газу при його стисканні вn раз збільшується в 2 × n>^ 2 = n>^ 4 = n ^ 3> разів.
Таким чином, використовуючи найпростіші математичні операції та логіку, ми отримуємо показник адіабати для одноатомних ідеальних газів, що дорівнює 4/3.
Як бачимо, він не відповідає загальноприйнятому на сьогодні показнику адіабати для ідеальних одноатомних газів, що дорівнює 5/3. Отже, висновки поспішні та не відповідають істині? Зовсім ні. Відповідь на запитання, якатеорія – молекулярно-кинетична чи електромагнітна більш адекватно і точніше описує реальний стан газових середовищ, можуть лише натурні експерименти. Справа в тому, що результати прямого вимірювання показника адіабати для інертних газів зовсім не відповідають теоретичним викладенням, отриманим із кількості ступенів свободи.