Теплота и температура

Общим свойством любого вещества является, как известно, тепловое движение - беспорядочное (хаотическое) движение атомов, молекул, электронов, ионов и других частиц. Тепловое движение, в отличие от механического, - это движение коллектива, а не одиночек. Если приведены в соприкосновение два вещества с разными температурами, то наблюдается теплообмен - изменение количества теплоты. Если веществу передается какая-либо энергия в любой форме, то изменяется его температура.

Теплообмен [2], самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым (в общем случае перенос теплоты может вызываться также неоднородностью поля и других физических величин, например, разностью концентраций). Различают теплообмен теплопроводностью, конвективный и радиационный (излучением).

Теплота (количество теплоты) [2], энергетическая характеристика процесса теплообмена, определяется количеством энергии, которое получает (отдает) тело в процессе теплообмена.

Температура [2], физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы. Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между ее частями, имеющими разность температур, происходит теплообмен. Более высокой температурой обладают те тела, у которых кинетическая энергия молекул (атомов) выше.

Из определений следует, что температура является характеристикой состояния, а измеряют ее в повседневной жизни, как известно, спиртовым или ртутным термометром, который показывает изменение объема налитой в него жидкости, т. е. одного из изменяющихся в процессе передачи энергии свойств. И хотя принято говорить, что скорость хаотического движения молекул увеличивается с повышением температуры, и наоборот, но температура, как таковая, ничего не уменьшает и не увеличивает. Она является лишь индикатором процесса, связанного со средней кинетической скоростью хаотического движения атомов (молекул) и более малых частиц, но что конкретно представляет собой сам процесс, говорить не принято. Температуру всегда связывали (и связывают) с теплотой, но что такое сама теплота, выяснить не удалось. В [2] определения физической сущности теплоты не дано. В [5] даны две теории теплоты - теплорода и механическая, а также современный взгляд на эту проблему.

Теория теплородагласит, что теплота - это теплород - вещество способное проникать в любое тело и выходить из него. Теплород не порождается и не уничтожается, а только перераспределяется между телами, чем его в теле больше, тем выше температура тела.

Механическая теория утверждает, что теплота - это внутреннее движение мельчайших частиц тела.

Из теории теплорода следовало, что термометр измеряет количество теплорода, а механической - количество движения. Согласно обеим теориям должен существовать абсолютный нуль температур. По первой тогда, когда от тела будет отнят весь теплород, а по второй тогда, когда тело потеряет все содержащееся в нем движение.

По современным представлениям [5] обе теории неверны, так как считается, что о теплоте, как и о работе, можно говорить только в связи с процессом и во время процесса, совершаемого системой, а не в связи с ее состоянием. Теплота и работа подобны - это передача движения из одной системы в другую. Но работа передает упорядоченное направленное движение, а теплота - беспорядочное хаотическое движение молекул, а такая передача всегда происходит только от нагретого тела к холодному. В современной трактовке речь снова идет только о свойствах теплоты, хотя и связанных не с состоянием вещества, а с процессом, а о самой теплоте опять умалчивается. Поэтому еще раз вернемся к двум теориям теплоты, подключим к ним ее современное представление и посмотрим на все это в свете выдвинутых выше гипотез.

Теория теплорода - это своего рода закон сохранения массы, а механическая - закон сохранения количества движения. Следовательно, обе теории верны, но каждая из них является лишь частью всеобщего закона - закона сохранения энергии при ее преобразовании из одного вида в другой и переходе из одной формы в другую, что, естественно, можно наблюдать только во время процесса преобразования и (или) перехода.

Этот процесс можно описать следующим образом. Чем больше скорость хаотического движения молекул и атомов, тем чаще они сталкиваются, т. е. меняют скорость и направление своего движения. Поэтому появляется и большее количество теплонов - малых частиц, способных оторваться от них с большой скоростью и создать завихрения, увеличивающие объем тела (или давление, если тело замкнуто), и отрывающие новые теплоны.

Если сблизить два тела с разной концентрацией теплонов, то они из тела с их повышенной концентрацией будут подобно штопору проникать в тело с пониженной, включая градусник, что приведет к уменьшению объема первых и увеличению объема вторых. И их концентрации рано или поздно уравняются подобно воде в сообщающихся сосудах

Если тело имеет форму шара, то отразившиеся от оболочек частицы летят к его центру. И именно там происходит все большее количество случайных (хаотических) столкновений, включая и те, когда «из глаз искры летят», т. е. образуется все большее количество свободных частиц-волн все меньшего размера, движущихся с все большей скоростью, способных создавать завихрения в данном теле и проникать в другие тела. Этим можно объяснить то, что именно в центре шара температура достигает наибольшей величины.

Так ли все это? На это могут, скорее всего, ответить (или уже ответили) ученые, работающие в данной области. Если это так, то повышение (понижение) температуры является не причиной, а следствием увеличения (уменьшения) объема тела из-за увеличения (уменьшения) в нем концентрации теплонов и (или) их вихревого движения

Данный процесс не зависит от того, образовались ли «теплоны» в самом теле, «притекли» извне или «утекли» вовне. Объем и (или) плотность должны изменяться обязательно, так как колеблющимся и движущимся частицам особенно при вихревом движении необходимо большее «жизненное» пространство, чем покоящимся. В принципе, должна изменяться и масса тела, но только в том случае, если происходит отток «теплонов» вовне или их приток извне, а не только «отрыв» и «завихрение» их внутри самого тела. К тому же, изменение массы за счет изменения концентрации теплонов может быть столь мало, что мы еще не в состоянии это зафиксировать. Хорошо видимое изменение объема при повышении температуры является в основном не следствием увеличения массы тела, а следствием вихревого движения теплонов, вихри которых движутся хаотично.

Процесс увеличения объема за счет хаотического вихревого движения «частиц» может наблюдать любая хозяйка на примере дрожжевого теста. Десятые и сотые доли процента хороших сухих дрожжей могут привести к многократному увеличению его объема и соответственно к уменьшению плотности за счет быстрого размножения и хаотического движения дрожжевых бактерий - «дрожжонов», которые разрыхляют тесто, увеличивая расстояние между его структурными элементами. Но если тесто помесить - убрать пустоты, образованные «дрожжонами» во время своего движения, то оно снова займет почти свой прежний объем, так как «дрожжоны» «осядут». Масса же теста после добавки дрожжей, несмотря на резкое увеличение его объема, остается практически неизменной, так как его объем увеличивается в основном за счет скорости и характера движения «дрожжонов».

Гипотеза 2.26: Теплота - это мельчайшие по сравнению с телом полевые частицы - «теплоны», достигшие определенной скорости и движущиеся по вихревым траекториям, расположенным хаотично по отношению друг к другу, способные проникать в данное тело и выходить из него.

Эта гипотеза не противоречит ни первой, ни второй теории, ни современным представлениям, но при одном условии. «Теплоны» должны иметь такую скорость и такой размер (вернее, много разных размеров), которые обеспечивали бы им проникновение и движение в любом теле между его молекулами и атомами, но не между ядерными частицами. Для обеспечения этих условий они должны быть много меньше межатомных и межмолекулярных расстояний, а способность их проникновения в те или иные вещества - теплоемкость и характер их движения зависит от конкретного размера теплонов и строения вещества.

Если теплоны - это частицы, для которых «туннелями» служат межатомные расстояния, то размер теплонов должен быть меньше межатомного расстояния, но, скорее всего, больше расстояния между нуклонами, составляющими атомное ядро, так как теплонам вход в ядро атома, по всей вероятности, должен быть закрыт. Там, видимо, должны «орудовать» более мелкие частицы, но всеобщие законы должны быть теми же. Межнуклоновые расстояния и определяют, видимо, минимально допустимый размер теплонов.

Предложенная гипотеза не противоречит и тому, что теплород не появляется и не уничтожается, а всего лишь перераспределяется, так как отсутствие теплоты связано не с отсутствием самих частиц, как таковых, а с отсутствием движущихся частиц. Это аналогично тому, что отсутствие электрического тока (или потока воды) может быть связано не с отсутствием самих электронов (или молекул воды), а с отсутствием движущихся. Для обеспечения движения любых частиц они должны стать относительно свободными («оторваться») и им должно быть передано движение.

Предложенная гипотеза не противоречит и тому, что, чем больше в теле теплорода, тем выше температура тела, но следует добавить: движущегося теплорода, т. е. «теплонов». При таком добавлении первая теория совпадает со второй теорией, с тем, что теплота – есть внутреннее движение мельчайших частиц вещества. Согласно предложенной трактовке нуль температур, как и по первой теории, можно, в принципе, получить тогда, когда все теплоны будут «отсосаны», вернее, начнут двигаться упорядоченно в направлении отсасывающей силы, перестав быть «теплонами» - частицами, движущимися хаотично и с завихрениями. Понижение температуры, как известно, мы наблюдаем тогда, когда начинаем дуть на горячее тело, т. е. изменяем хаотическое движение «теплонов» на упорядоченное и «выгоняем» их из тела. «Отсосать» все теплоны, скорее всего, невозможно. Сильный «отсос» может привести к образованию («отрыву») новых частиц, движущихся с большой скоростью, которые могут и «завихриться», если на их пути возникнут неоднородности. Нуль температур можно получить и в том случае, если «теплоны» перестанут быть «теплонами» - перестанут двигаться и «осядут», что равносильно тому, что тепловой «ветер» стихнет. И это действительно связано с потерей движения, о чем говорит вторая теория.

Тепловой «ветер» может дуть извне или образоваться внутри в результате любых действий, «выбивающих» «теплоны» из «гнезда» и обеспечивающих их хаотично-вихревое движение. «Теплоны» можно «выжать» как сок из лимона при сжатии. Их можно «выбить» при ударе или «оторвать» при трении. Все эти действия, как известно, приводят к повышению температуры тела.

Возникновение «теплонов» действительно связано в основном с хаотическими действиями, так как при них происходит максимум столкновений (соударений), приводящих к выбросу большого количества частиц величины меньшего порядка, достигающих скоростей, достаточных для образования тепловых «вихрей». При упорядоченных действиях «теплоны», видимо, образуют упорядоченные потоки (токи) и направленный «ветер» - волны теплового (инфракрасного) диапазона. Но тогда они уже не являются «теплонами» - частицами, движущимися хаотично.

Возможно, что «теплоны» - это те же частицы-волны разной величины (длины), но в отличие от упорядоченно движущегося потока или поля, они движутся хаотично, что характерно для движения с «нулевыми» скоростями. Если это так, то можно говорить не только о «теплонах» теплового излучения, но и светового, и рентгеновского, и гамма-излучения.

Повышение температуры в проводниках с током, как уже говорилось, приводит к увеличению сопротивления (уменьшению проводимости), а при очень низких температурах наблюдается явление сверхпроводимости. Повышение температуры в диэлектриках, наоборот, приводит к появлению проводимости. Если повышение температуры является следствием увеличения концентрации и вихревого движения теплонов, то все это легко объяснимо. «Завихрения», подобно турбулентным явлениям в жидкости, препятствуют направленному движению (току) других частиц. А их отсутствие эквивалентно отсутствию препятствий (неоднородностей) и может вызвать явление сверхпроводимости в тех случаях, когда свободные электроны уже существуют. Возникновение проводимости в диэлектриках можно объяснить тем, что тепловые «вихри» деформируют частицы или отрывают от них электроны, что приводит к появлению свободных электронов и (или) возникновению зарядов (выпуклостей и вогнутостей), способных вызвать направленное перемещение частиц или их упорядоченное (по «ветру» или подобно водорослям - по течению) расположение - поляризованность

О веществах, обладающих особыми свойствами - остаточной электрической поляризованностью и остаточной намагниченностью, своего рода памятью о прошлом, уже говорилось. С предлагаемых позиций это явление можно рассматривать как остаточную деформацию, возникающую при вызываемой тепловым «ветром» определенной «пластичности» вещества, которой соответствуют те или иные температуры.

Тепловое движение при разных агрегатных состояниях вещества, как известно, разное. В зависимости от характера теплового движения частиц (атомов, молекул и др.), образующих вещество, различают три его агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное, четвертым принято считать плазму.

Тепловое движение в твердых телах [4] сводят обычно к малым колебаниям каждого атома около положения равновесия, амплитуда которых мала по сравнению с размером самих частиц и поэтому они не покидают своих мест. Но из-за их прочной взаимосвязи колебания могут происходить согласованно. И тогда по твердому телу распространяется волна. Колебания атомов в кристаллах при абсолютном нуле не «вымерзают» [4], а согласно квантовой механике атомы совершают нулевые колебания, амплитуда которых тем больше, чем легче атомы и чем слабее взаимодействия между ними.

Каждый атом, исходя из сделанных ранее предположений, представляет собой своего рода стоячую волну. Внутренняя энергия этой волны может и должна колебаться, совершая, возможно, те самые нулевые (собственные) колебания. Косвенным подтверждением этого является гелий - единственное вещество, которое даже при почти абсолютном нуле не превращается в твердое тело, но при очень высоком давлении (примерно в 30 атм.) образует особый кристалл, грани которого могут совершать гигантские (нулевые?) колебания. Колебания гелия можно объяснить тем, что он представляет собой простейшую систему с двухсторонней связью, которую можно рассматривать как своего рода эллипсоид, имеющий два фокуса, и его внутренняя энергия перекачивается из одного фокуса в другой, что и вызывает колебания, тем более, что «теплоновых вихрей», затрудняющих эти колебания, о чем свидетельствует низкая температура, практически нет. Возможно, что именно гелий является элементом, запускающим вновь программу развития Вселенной, когда все остальные программы «заморожены».

Тепловое движение молекул в жидкости, где связи слабее, представляет собой (по Френкелю) также малые колебания около положения равновесия. Но само положение равновесия, в отличие от кристалла, время от времени скачкообразно смещается на расстояние порядка межатомного.

В жидкости тепловой «ветер» способен, видимо, оторвать и перенести целые коллективы молекул на новое место «жительства» подобно тому, как обычный ветер переносит семена растений, а смерч (вихрь») - даже людей и дома.

Тепловое движение в газах [4] основано на предположении, что молекулы находятся на расстояниях, значительно превышающих их размер. Поэтому их движение является равномерным и прямолинейным на длине свободного пробега, в несколько раз превышающей расстояние между молекулами. При столкновении с другой молекулой или со стенкой сосуда молекула резко меняет свое направление и скорость, как при столкновении бильярдных шаров, т. е. по законам упругих тел.

В газах, где расстояние между атомами и молекулами велико по сравнению с их размерами, «тепловым вихрям» есть, где разгуляться. И они гоняют молекулы и атомы как бильярдные шарики, или подобно тому, как перекатывает перекати-поле ветер в степи.

Тепловое движение в плазме - это очень активное движение. Плазма [4] — частично или полностью ионизированный газ. Плазменное состояние получается при нагревании твердого вещества, когда происходит разрушение его структуры: твердое тело превращается в жидкость, жидкость — в газ, газ, теряя электроны, ионизируется и переходит в плазму, где электрическим зарядом является каждый ион. Плазма обладает рядом специфических свойств: высокой электропроводностью, сильным взаимодействием с внешними электрическими и магнитными полями, коллективным взаимодействием частиц плазмы, наличием упругих свойств, но в целом она электрически нейтральна.

Нагревание вещества, исходя из ранее сделанного предположения о «тепловых вихрях», можно рассматривать как его поэтапное разрушение под действием «вихрей» вплоть до разрушения самого атома (но не его ядра). Это и приводит к образованию множества самых разнообразных по форме, размерам и плотности «неуравновешенных» энергетических выпуклостей и вогнутостей - зарядов разных знаков. Эти заряды перераспределяют энергию в малых объемах плазмы, обеспечивая богатство форм колебательного движения, но сами эти объемы расположены беспорядочно. Поэтому плазма электрически нейтральна.

Известно, что заряженные частицы, из которых состоит плазма, не могут свободно перемещаться поперек силовых линий магнитного поля. Они движутся по винтовым (спиральным) траекториям, навивающимся на силовые линии. Поэтому свойства плазмы в магнитном поле становятся анизотропными, т. е. неодинаковыми в разных направлениях, что наблюдается и у кристаллов. Перенос энергии поля и вещества поперек магнитного поля сильно подавлен.

Если заряженные частицы - это «выпуклости» и «вогнутости», то они подобны, как уже было сказано, парусам парусника, надуваемым «ветром» магнитного потока. И такой «парусник», как и обычный, не может перемещаться строго перпендикулярно «ветру» (магнитному потоку). Но он, как и обычный парусник, может идти галсами, т. е. по спирали, но с преимущественным направлением в сторону движения «ветрового» потока, который является для него направляющим.

Известно, что в отличие от газа, где каждая частица «узнает» о существовании себе подобных лишь в моменты столкновения, в плазме каждая частица непрерывно «ощущает» воздействие «соседей», в совокупном электромагнитном поле которых она постоянно находится. Поэтому траектория движения частиц представляет собой не ломаную линию, как траектория молекулы газа, а плавную кривую.

Плавность траектории частиц в плазме можно объяснить тем, что основным видом взаимодействия в ней является волновое, в общем случае, вихревое - сочетание поступательного и вращательного. Волны же, как об этом уже говорилось, в принципе, могут распространяться до бесконечности, что и обеспечивает постоянное «ощущение» соседей. В кристалле каждый элемент также чувствует «плечо» не только своего соседа, но и всех других элементов. С одними он соединен непосредственно, с другими - через промежуточные звенья. И в твердых телах, как уже было сказано, также распространяются волны, что делает их похожими на «замороженную» плазму. В газах, несмотря на хаос движения отдельных молекул, их коллективы начинают двигаться упорядоченно, когда по газу распространяется упругая волна, созданная сторонними силами. А те или иные волны, как «эхо» различных взаимодействий, распространяются в нем постоянно. Поэтому молекулы газа могут мало знать о «соседях», но о том, что происходит в «мире» они, безусловно, «информированы».

Известно, что влияние частицы на траектории движения других частиц быстро уменьшается с увеличением энергии (скорости) частицы. Поэтому при высоких температурах плазмы воздействие частиц друг на друга становится несущественным, и они движутся как бы в отсутствие столкновений.

Плотность плазмы, частицы которой постоянно и быстро движутся, является пространственно-временной плотностью, о которой уже говорилось. Поэтому для частиц, движущихся с большими скоростями, прозрачность плазмы увеличивается.

Известно, что высоко над поверхностью земли находится область слабо ионизированной плазмы — ионосфера, где ионизация газов происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца.

Это можно объяснить тем, что частицы-волны ультрафиолетового излучения соизмеримы с размерами атомов и молекул. Поэтому они способны с ними взаимодействовать и, вбивая или выбивая электроны, оставляют на них весьма существенные следы - «выпуклости» и «вогнутости». Аналогом ионизации молекул газа излучением может служить воздействие метеоритных потоков на поверхность небесных тел, например, Луны. Метеориты, падающие на поверхность Луны, образуют на ней, как известно, метеоритные кратеры, представляющие собой одновременно и вогнутости, и выпуклости, а часть лунного вещества улетучивается в космос, образуя следовые поля и свободные частицы. Кроме того, при данном взаимодействии распространяются сейсмические, а при наличии атмосферы, и звуковые волны, а так же возникают другие виды излучений.

Известно [4], что из плазмы состоят шаровые молнии, звезды и облака межзвездного ионизированного газа. Это естественная плазма. Искусственная плазма — это лампы дневного света, лазеры и множество других устройств, используемых во многих отраслях науки и техники.

Температура, объем и давление - это неразлучная троица. Изменение любого из трех параметров влечет за собой совершенно определенное изменение двух других, но все они являются, в конечном итоге, «индикаторами» общего процесса - перехода части пассивной энергии в активную и наоборот.

Исходя из выдвинутых ранее гипотез и предположений, это можно объяснить следующим образом. При сжатии (уменьшении объема) структурные элементы, образующие данное ЕДИНСТВО, в первую очередь прижимаются своими полевыми оболочками и «выдавливают» друг из друга «теплоны». Эти частицы вследствие малого размера и массы способны развивать большие скорости и проникать из центральных областей во внешние области. Чем больше давление, тем сильнее сдавливаются отдельные элементы и из более близких к центру областей «выдавливаются» «теплоны», которые, как и все остальное, являются частицами-волнами соответствующей длины. Так как при приближении к центру размер частиц-волн уменьшается, то при увеличении давления «выдавливаются» частицы-волны все меньшего и меньшего размера (меньшей длины волны). Поэтому длина волны, соответствующая максимально излучаемому количеству частиц-волн, уменьшается, а объем тела за счет создания полевых оболочек увеличивается, увеличивается и плотность этих оболочек. Но как только внешние оболочки уплотнятся до такой степени, что станут для излучаемых изнутри частиц-волн непроницаемыми, то они начнут отражать их назад и тело снова начнет сжиматься. И т.д. И весь этот процесс повторяется снова и снова. Аналогичные явления, видимо, и приводят к «дыханию» всех систем, находящихся в состоянии неравновесного равновесия. Поэтому три «кита» объем, давление и температура, как индикатор перехода активной энергии в пассивную, и обратно, неразрывно связаны между собой. Равенство одной и той же величине произведения давления на объем, видимо, знаменует собой закон сохранения энергии, выраженный в несколько ином виде. Объем здесь является эквивалентом пассивной энергии, а давление - активной. Увеличивая одну составляющую, мы уменьшаем другую, и наоборот.

В состоянии неравновесного равновесия количество энергии, перемещающейся к центру, примерно равно количеству энергии, перемещающейся от центра, т. е. осуществляется примерно эквивалентный обмен энергиями. Такое состояние возможно лишь при ритмичном (нормальном) «дыхании» и не закупоренных («незашлакованных») «энерговодах» - ячейках. Если в системе возникнут случайные уплотнения энергии или «пустоты» (разреженности), то эквивалентный обмен энергиями будет нарушен. Это может привести к локальному или глобальному нарушению состояния неравновесного равновесия. В результате могут возникнуть разного рода катаклизмы, как локального, так и глобального масштаба, как в организме отдельного человека, так и на всем земном шаре и других объектах как микроскопического, так и космического масштаба.

Как уже было сказано, при нормальной температуре, нормальной норме осадков, нормальной силе ветра, вернее, при их небольших (допустимых) отклонениях от нормы не бывает природных катаклизм. Однако любое отклонение от нормы в больших (недопустимых) пределах к ним неизбежно приводит. Это же относится и к человеку, и к человеческому обществу. Следовательно, для обеспечения устойчивости системы дыхание должно быть ритмичным, а обмен энергиями правильным, в пределах допустимых норм.