Кое-что о термодинамике

Основные термодинамические величины и связывающие их формулы приведены в справочной информации наряду с механическими, также необходимыми при термодинамических расчётах. Там же кратко изложены основные понятия и законы классической термодинамики. При этом я стараюсь не использовать довольно абстрактные и недоступные непосредственному измерению понятия энтальпии и энтропии и обойтись более ощутимыми вещами — температурой, давлением и объёмом.

На данной странице я хотел освежить (для тех, кто подзабыл школьный курс) базовые положения классической термодинамики относительно природы температуры и давления газов на основе молекулярно-кинетической теории (МКТ), посмотреть, как можно его использовать для извлечения энергии, и остановиться на некоторых моментах, отличающихся от общепринятых представлений.

В первом варианте эта страница была закончена в 2009 году. После публикации материалов по электромагнитной термодинамике (ЭМТ) в 2011 году стало ясно, что эта страница не может существовать в прежнем виде. Однако не было смысла и полностью переделывать её, адаптируя под ЭМТ, поскольку это привело бы к ненужному дублированию. Поэтому я решил оставить основу страницы без изменений, дополнив там, где это необходимо, абзацами, начинающимися с метки «Update 2011» и выделенными шрифтом.

Механическая модель идеального газа
   Сжатие и расширение идеального газа
      Адиабатическое сжатие идеального газа
      Адиабатическое расширение идеального газа
   Как извлечь энергию из идеального газа?
      Демон Максвелла — идеальный тепловой насос
      Поток из хаоса
Скорости молекул газа
   Классические представления о распределении молекул газа по скоростям
   Нелогичность классических представлений о распределении по скоростям
   Скорость звука в газе и скорость его молекул
   И.В.Померанцев и его теория тепла

Механическая модель идеального газа

В большинстве случаев идеальный газ успешно представляется механической моделью, в которой частицы газа рассматриваются как идеально упругие шарики очень малого размера, хаотично перемещающиеся внутри сосуда, со стенками которого они сталкиваются также абсолютно упруго. Общими термодинамическими характеристиками такого «наполнителя» являются средняя скорость и длина свободного пробега «шариков», а температура и давление характеризуют энергию, которую они могут передать единице площади стенки сосуда при столкновениях с ней, и которая, очевидно, зависит как от количества «шариков», сталкивающихся со стенкой в единицу времени, так и от их скорости, т.е. средней кинетической энергии каждой из частиц газа. При этом предполагается, что направления движения отдельных частиц газа хаотичны, а их скорости относительно стенок сосуда могут варьироваться в очень широких пределах (теоретически от нуля до бесконечности), однако на макроуровне из-за огромного числа частиц всё это не имеет значения, а играют роль лишь усреднённые величины.

Update 2011. ЭМТ позволяет понять физическую суть «абсолютно упругих столкновений» — это дистанционное электромагнитное взаимодействие молекул, в том числе и электрически нейтральных (неионизованных). Однако эффективная дистанция такого взаимодействия мала, поэтому изложенные выше представления остаются достаточно адекватными для не слишком высоких давлений и концентраций молекул газа, включая стандартные атмосферные условия. Это же касается и следующего абзаца.

Процесс теплообмена между стенкой и газом в такой модели трактуется как обмен кинетической энергией между мечущимися «шариками» газа и колеблющимися частицами стенки, которым не позволяют отправиться в свободный полёт межмолекулярные связи в твёрдом веществе. Если стенка имеет температуру больше, чем газ, то средняя кинетическая энергия колебаний её частиц больше, чем средняя кинетическая энергия частиц газа, и при столкновениях частиц газа со стенкой этот избыток энергии передаётся им, в результате чего стенка охлаждается, а газ нагревается. Если же температура газа больше, чем стенки, то избытком кинетической энергии обладают уже его частицы, при столкновениях передающие её частицам стенки. В результате газ охлаждается, а стенка нагревается. В любом случае при взаимодействии газа и стенки (или порций газа с различной средней скоростью частиц) происходит выравнивание усреднённой кинетической энергии частиц взаимодействующих сред, что на макроуровне проявляется как выравнивание температур этих сред (теплообмен).

Сжатие и расширение идеального газа

Вспомним, что происходит при быстром сжатии или расширении идеального газа. Этот процесс является адиабатическим, т.к. из-за его малой длительности тепло (сиречь кинетическая энергия частиц газа) не успевает сколько-нибудь заметно передаться стенкам сосуда. В этом случае сжатие (т.е. уплотнение) газа сопровождается повышением как его давления, так и температуры, а расширение (т.е. разрежение) — падением и температры, и давления.

Адиабатическое сжатие идеального газа

При сжатии идеального газа в отсутствии теплопередачи кинетическая энергия каждой отдельной частицы не изменяется, однако их концентрация в единице объёма увеличивается пропорционально степени сжатия.

Адиабатическое сжатие идеального газа.

На макроуровне это воспринимается как повышение давления и температуры. Повышение давления после сжатия часто связывается в первую очередь с возрастанием числа воздействий на единицу площади стенки сосуда, а рост температуры объясняется возрастанием кинетической энергии каждого воздействия, поскольку сжимавший газ поршень в конце концов остановился и передал свой импульс молекулам газа, несколько увеличив их скорость и кинетическую энергию — то есть тепловая энергия сжатого газа возросла за счёт внешней работы, которая потребовалась для его сжатия. Впрочем, при вдумчивом размышлении становится ясно, что причины роста давления и температуры нельзя разделить так однозначно, как об этом только что говорилось — и увеличение частоты ударов при той же энергии каждого удара ведёт к повышению температуры, и увеличение средней силы ударов при сохранении их количества в единицу времени приводит к некоторому повышению давления, так что рост температуры и давления при адиабатическом сжатии в принципе неразделимы.

Огромный опыт успешного применения не оставляет сомнений в справедливости этой теории. Каждый может легко убедиться в этом, пощупав самый обычный автомобильный насос через минуту-другую интенсивной работы.

Если в дальнейшем объём газа останется неизменным, то постепенно за счёт теплообмена его температура снизится до температуры окружающей среды. Давление при этом также несколько уменьшится (изохорический процесс), но останется больше прежнего во столько же раз, во сколько раз меньше стал объём газа. Это уменьшение давления при охлаждении является ещё одним проявлением неразделимой связи температуры и давления, вызванной единым порождающим их механизмом — соударениями частиц газа.

Update 2011. Эти рассуждения по-прежнему актуальны в качестве первого приближения для относительно небольших давлений, за исключением пассажа о «неразрывной связи температуры и давления». В силу врождённых изъянов концепции взаимодействия молекул газа МКТ не в силах чётко обозначить разницу между температурой — энергетической характеристикой состояния газа — и его давлением — механической характеристикой, — а также выявить все обуславливающие их факторы.

Адиабатическое расширение идеального газа

При расширении идеального газа в отсутствии теплопередачи кинетическая энергия каждой отдельной частицы также не меняется, но их концентрация в единице объёма уменьшется пропорционально степени расширения.

Адиабатическое расширение идеального газа.

На макроуровне это воспринимается как понижение давления и температуры. Понижение давления после сжатия часто связывается в первую очередь с уменьшением числа воздействий на единицу площади стенки сосуда, а снижение температуры объясняется уменьшением кинетической энергии каждого воздействия, поскольку выталкивавшие поршень молекулы газа передавали ему часть своих импульсов и тем самым несколько уменьшали свою скорость и кинетическую энергию — то есть тепловая энергия расширившегося газа уменьшилась из-за работы, которую он совершил при своём расширении. Однако, приведённые выше слова о неразделимости изменения температуры и давления при сжатии в полной мере относятся и к расширению газа.

На этом принципе основана работа множества установок, прежде всего тепловых насосов, из которых в быту наиболее широко распространены компрессорные холодильники и кондиционеры.

Если в дальнейшем объём газа останется неизменным, то постепенно за счёт теплообмена его температура повысится до температуры окружающей среды. Давление при этом также несколько вырастет (изохорический процесс), но останется меньше прежнего во столько же раз, во сколько раз больше стал объём газа.

Update 2011. Как и предыдущий пункт, приемлемо в качестве первого приближения для относительно небольших давлений. Но в рамках МКТ нельзя объяснить, почему замкнутый объём вакуума (скажем, колба термоса) позволяет сохранить температуру, а незамкнутый (теневая сторона космических объектов) вызывает охлаждение до сверхнизких температур.

Как извлечь энергию из идеального газа?

Таким образом, из классической кинетической теории газов следует, что окружающий нас воздух буквально насыщен механической энергией снующих туда-сюда молекул, однако в силу хаотичности движения частиц мы не можем ею воспользоваться — их микроудары на макроуровне взаимно компенсируется, обеспечивая передачу (выравнивание) тепла, но не давая шансов получить механическую работу непосредственно.

Update 2011. Именно это обстоятельство утверждает пресловутое второе начало термодинамики. Но даже в рамках официальной науки честные учёные констатируют наличие исключений, к каковым относится, например, броуновское движение, — считается, что в те моменты, когда броуновские частицы в ходе их хаотического движения поднимаются вверх, увеличение их потенциальной энергии осуществляется за счёт кинетической энергии окружающих частиц среды и сопровождается некоторым охлаждением ближайшего к ним микрообъёма. Например, именно так это трактуется в «Справочнике по физике» Б.М.Яворского и А.А.Детлафа (М., «Наука», 1980, см. §II.4.7.3° на c.134 — я специально привёл ссылку не на статьи, монографии и тому подобные источники, которые могут содержать полемические утверждения и недоказанные гипотезы, и уж тем более не на сайты в Интернете, а на массовый справочник советского периода для инженеров и студентов, в котором никто не допустил бы появления сомнительных и непроверенных утверждений, — а тем более «альтернативных» с точки зрения Академии наук СССР).

И ещё одно обстоятельство. С точки зрения ЭМТ тепловая энергия в газах при относительно низких давлениях находится преимущественно в кинетической форме, в твёрдых телах — почти полностью в потенциальной (в виде колебательных напряжений кристаллической решётки), а в жидких — в значительной степени в потенциальной форме, массово переходя в кинетическую лишь на границе раздела с неплотными газообразными средами. В связи с этим обсуждаемое ниже относится прежде всего к газам и в меньшей степени — к жидкостям.

И всё же, какие способы (хотя бы теоретически) можно предложить для извлечения тепловой кинетической энергии? Их всего два, и оба известны ещё с XIX века.

Демон Максвелла — идеальный тепловой насос

Эта идея основана на утверждении классической термодинамики, что молекулы газа, даже находящегося в равновесном состоянии, двигаются не только в разных направлениях, но и с весьма различными скоростями — от практически нулевой до некоторого максимального значения (а по классическому распределению Максвелла — до бесконечно больших).

Идея заключается в том, что если отгородить мембраной некоторую часть пространства и заставить гипотетическое устройство (или существо), называемое «демоном Максвелла», пропускать в эту область снаружи только те частицы, скорость которых в момент подлёта к этой мембране больше средней, а обратно не выпускать ничего, то через какое-то время в огороженной области соберутся высокоэнергетичные «тёплые» частицы, а в вне её останутся более медленные «холодные» частицы. Таким образом, в прежде однородном объёме газа образуются тёплая и холодная области, т.е. «демон Максвелла» является идеальным тепловым насосом.

Механическим аналогом «демона Максвелла» является, например, подпружиненная дверка мышеловки, пропускающая мышку внутрь и захлопывающаяся за ней. Если «обстреливать» такую дверку, скажем, металлическими шариками, то открыть её и попасть внутрь смогут только те шарики, которые движутся с достаточно высокой скоростью — более медленным для этого «не хватит сил», то есть энергии. Здесь есть один нюанс: если «дверку» открывает сама частица, то при этом она совершает работу и теряет энергию, а значит, после этого она уже имеет меньше энергии, чем «на воле», — более того, если «дверка» достаточно «тугая», то энергия, оставшаяся у преодолевшей её частицы, может быть меньше, чем в среднем у частиц, находящихся «на воле»! К тому же, применительно к частицам газа размеры такой «дверки» должны быть не более нанометра (поскольку газокинетические диаметры молекул большинства газов, в том числе образующих атмосферу, лежат в диапазоне от 0.3 до 0.5 нм), а необходимая для её «открытия» энергия должна соответствовать средней кинетической энергии молекул газа при нужной температуре. Однако главная беда этой идеи даже не в том, что необходимы столь мизерные размеры и усилия — прогресс нанотехнологий даёт надежду, что создать нечто подобное вполне возможно если не сейчас, то в не слишком отдалённом будущем. Главная беда в том, что судя по всему, на самом деле все молекулы газа, находящегося в равновесном состоянии, имеют практически одну и ту же скорость! Поэтому «демон Максвелла» не реализуем в принципе — он лишь плод фантазии, базирующейся на ошибочных представлениях об идеальном газе.

Update 2011. Сказанное выше было актуально для механистической модели взаимодействия, на которой основана традиционная МКТ. Но, хотя ЭМТ говорит о принципиальном существовании весьма широкого разброса мгновенных скоростей частиц газа, которые постоянно изменяются благодаря их дистанционному электромагнитному взаимодействию, изложенные выше общие принципы остаются в силе. Во-первых, в отличии от традиционного максвелловского распределения разброс мгновенных скоростей достаточно жёстко ограничен сверху (по результатам моделирования максимальные скорости превышают средние примерно в 3.5 раза). Во-вторых, при взаимодействии частиц газа как друг с другом, так и с другими объектами (стенками, мембранами, «дверками» и т.п.) имеет значение не их мгновенная скорость, а их полная механическая энергия — потенциальная и кинетическая, — отражением которой является действующая скорость. А разброс полных энергий и, соответственно, действующих скоростей гораздо меньше разброса мгновенных скоростей, в связи с чем эффективное разделение энергетически мало различающихся молекул представляется весьма сложным делом с сомнительным результатом.

Следует заметить, что иногда под «демоном Максвелла» имеется в виду любой способ внести какой-то порядок в хаос теплового движения — скажем, разделять частички не по скоростям, а по направлению, получив струю вещества. Главное, чтобы затраты на это были меньше, чем энергетический выигрыш, полученный в результате такого разделения.

Поток из хаоса

Другая идея по извлечению тепловой энергии заключается в следующем. Обычно частицы газа движутся хаотически во всех возможных направлениях. Но если каким-то образом хотя бы некоторую их часть заставить двигаться в одном и том же направлении (не меняя абсолютную величину их скоростей), мы получим направленный поток — ветер в газовой среде или течение в жидкости. А как извлечь пользу из ветра и течения, люди знают уже не одну тысячу лет! При этом на макроуровне упорядочивание движения и возникновение потока будет сопровожаться уменьшением температуры и бокового давления в этом потоке — ведь хаотического теплового движения стало меньше.

Можно ли изменить хаотическое направление движения на желаемое без затрат энергии? Можно! В обычной жизни это успешно осуществляется с помощью различных пассивных отражателей и экранов. Правда, при переходе на микроуровень размеры этих устройств должны быть существенно меньше длины свободного пробега молекул (для воздуха при нормальных условиях она составляет порядка 30 нм), а неровности направляющих поверхностей не должны превышать доли газокинетического диаметра молекул, то есть быть не более 1 ангстрема (0.1 нм), что налагает жёсткие ограничения на материалы и технологии их изготовления.

Тем не менее, этот путь не представляется таким уж безнадёжным. Есть сведения, что сопротивление потоку воды специальной мембраны из нанотрубок оказалась на несколько порядков меньше расчётного. Возможно, здесь имело место проявление именно этого эффекта.

Более того, вполне вероятно, что нечто подобное можно организовать и на макроуровне, причём с помощью самых обычных технологий — в буквальном смысле лопатой и экскаватором! По утверждению Виктора Шаубергера, именно это происходит ежесекундно и повсеместно в естественно текущих ручьях и реках, и именно этим объясняется их способность к естественной очистке русла от наносов и прохладная температура основного потока. Причиной такого эффекта является естественное вихревое движение воды в русле реки, самоорганизующееся особым образом и за счёт порождаемых макроскопическими завихрениями воды всё более мелких вихрей (очевидно, прежде всего на стыках более крупных вихрей и границах струй), в конце концов обеспечивающее необходимые эффекты на наноуровне — на уровне отдельных молекул. Искусственное спрямление и «улучшение» русла нарушает условия возникновения этого движения, в результате, хотя скорость сброса воды возрастает, растёт и температура потока, а русло интенсивно заполняется отложениями.

Update 2011. В связи с электромагнитным характером взаимодействия молекул газа, для упорядочения направления движения можно попробовать не только механические, но и электрические методы. Однако, поскольку для ощутимого электрического воздействия требуется существенный градиент поля, по-видимому, при этом не удастся избежать необходимости создавать огромную разность потенциалов на небольших расстояниях, и затем динамически управлять этой разностью потенциалов с высокой скоростью.

Скорости молекул газа

Несмотря на то, что современная классическая термодинамика выглядит вполне законченным монументальным сооружением, на самом деле тут не всё так гладко. Вот, например, один из неудобных вопросов, касающихся самых основ современной термодинамики газов: почему молекулы газа в равновесном состоянии должны иметь столь значительный разброс по скоростям, разве из-за взаимных столкновений и неизбежного при этом обмена энергией их скорости не должны выровняться по величине и быть примерно одинаковыми? Ведь термин «абсолютно упругие столкновения» подразумевает, что вся кинетическая энергия остаётся именно кинетической и не переходит в другие формы, но не запрещает её перераспределение между участниками столкновения, более того, именно за счёт такого перераспределения в классической термодинамике объясняется обмен теплом между стенками сосуда и газом внутри него.

Классические представления о распределении молекул газа по скоростям

По представлениям классической термодинамики, молекулы газа, даже находящегося в равновесном состоянии, имеют широкий диапазон мгновенных скоростей, различающихся не только по направлению, но и по абсолютной величине. При этом если направления в среднем равномерно распределены во все стороны, то абсолютные величины скоростей частиц лежат в очень широком диапазоне. Большинство частиц имеют скорость, близкую к некоторой усреднённой величине, находящейся внутри этого диапазона, однако всегда существует некоторое количество более быстрых и более медленных частиц. Профиль этого распределения является статистически стабильным и соответствует Гауссову распределению вероятностей, а теоретический диапазон возможных скоростей лежит в пределах от 0 до бесконечности.

В подтверждение этого приводятся теоретические распределения Больцмана и Максвелла, соответствующие вышеприведённому утверждению и подтверждаемые экспериментально полученными распределениями Штерна и Ламмерта. Однако теория подразумевает возможность бесконечно больших скоростей молекул, но на опыте, несмотря на все старания, не удалось обнаружить молекулы со скоростями выше некоторой достаточно чётко определяемой верхней границы.

Нелогичность классических представлений о распределении по скоростям

С точки зрения обычной механики утверждение о наличии при равновесном состоянии газа огромного разброса скоростей его частиц выглядит совершенно нелогичным. В самом деле, при упругом столкновении двух шаров они могут обменяться импульсами лишь частично или почти полностью. Теоретически возможен и абсолютно полный обмен импульсами, но это идеальный случай, — на практике всегда находится причина, по которой этого не происходит! А в результате многих столкновений с частичным обменом импульсами в среде, состоящей из таких хаотично движущихся шаров одинаковой массы (а ведь это и есть механическая модель идеального газа), их скорости постепенно выравняются и будут практически одинаковыми (с учётом частоты столкновений в нормальных атмосферных условиях для этого потребуются лишь малые доли секунды).

В самом деле, быстрый шар легко может догнать медленно движущийся в том же направлении и передать ему часть своего импульса или разность импульсов. Но самый быстродвижущийся шар сзади не подтолкнёт никто (его попросту никто не догонит из задней полусферы), а вот спереди он рано или поздно наскочит на более медленного собрата и потеряет часть своей энергии и скорости, подтолкнув того (в лучшем случае — передаст ему всю разницу импульсов, но ни один из шаров при этом всё равно не приобретёт скорости большей, чем была изначально у догнавшего шара). При встречном столкновении двух шаров они также могут разлететься обратно или в стороны под углом, но при этом величины их скоростей могут лишь выровняться, но никак не превысить прежнюю скорость самого быстрого из них. Кстати, по этой же причине более горячий газ с более быстрыми частицами может передать свою избыточную энергию более холодному, частицы которого движутся медленнее, а вот обратный процесс невозможен. Также невозможно и вновь выделить из «тёплого» результирующего газа «горячие» молекулы — их там просто нет, они уже отдали свой избыток энергии более медленным «коллегам» и теперь скорости всех молекул практически одинаковы.

Справедливости ради надо заметить, что при столкновении трёх и более шаров возможна ситуация, когда два шара сталкиваются возле третьего таким образом, что передают ему значительную часть своей суммарной кинетической энергии, как бы «вытеснив» его между собой. В результате скорость этого «выбитого» шара может превысить исходную скорость любого из трёх шаров, хотя величина этого превышения вполне конечна, и чем больше исходная скорость «ускоряемого» шара, тем меньше дополнительного ускорения он может получить. К тому же даже на плоскости организовать подобную ситуацию непросто (спросите у бильярдистов!), а в объёме — ещё сложней. Вероятность тройных столкновений при нормальных условиях так мала, что обычно ею вообще пренебрегают и начинают учитывать только в случае больших давлений, когда длина свободного пробега частиц газа становится сравнима с их газокинетическим диаметром (для воздуха при нормальных условиях эти величины отличаются примерно в 100 раз). Да и распределения молекул по скоростям при таком механизме «ускорения» должны иметь совсем иной вид — должен быть резкий пик для средней скорости и практически незаметные «хвосты» по бокам от него, соответствующие отношению вероятности одновременного столкновения трёх и более частиц (да не любого, а вышеописанного «хитрого») к вероятности столкновения двух, причём «медленный» хвост должен быть раза в два толще «быстрого».

Кроме того, столкновения молекул газа с молекулами стенок содержащего его сосуда априори предполагаются с частичной передачей импульса — ведь именно передачей части импульса более быстро движущихся «горячих» частиц более медленным «холодным» и объясняется выравнивание температуры газа и стенок сосуда. Так почему же внутри объёма газа между его частицами этот механизм не должен действовать и при столкновениях частичный обмен импульсами не предполагается, а выравнивание температуры объясняется лишь распространением быстрых «горячих» частиц по всему объёму с сохранением ими своего импульса? А если такой обмен действует и в объёме газа, то, как мы только что видели, скорости всех его молекул очень быстро должны стать практически одинаковыми!

Update 2011. По ЭМТ мгновенные скорости частиц газа сильно различаются, но важны не они, а действующие скорости. Впрочем, эти скорости также не совсем одинаковы, хотя в большинстве случаев достаточно близки. При этом в случае воздействия на внешние объекты важно учитывать не только кинетическую, но и потенциальную составляющую механической энергии частиц газа, значение которой резко возрастает с ростом их концентрации, то есть при повышении давления.

Скорость звука в газе и скорость его молекул

Ещё одна «странность». Логично допустить, что максимальная скорость передачи воздействий в среде должна быть равна максимальной скорости её частиц. Поэтому следовало бы предположить, что скорость звука в газовой среде равна максимальной (или максимально вероятной) скорости его частиц — ведь именно они являются физической основой для переноса энергии звуковой или ударной волны. Однако, если скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет примерно 330 м/с, то средняя скорость его молекул в тех же условиях, вычисленная из предположения, что тепловая энергия — суть кинетическая энергия его частиц, составляет порядка 550 м/с. Результаты получаются, мягко говоря, несколько странные. Конечно, были придуманы объяснения, позволяющие кое-как свести концы с концами, но получившаяся конструкция оказалась весьма шаткой, поэтому обычно этот момент вообще стараются опустить или пройти мимо него как можно быстрее. Недаром термодинамика и акустика являются разными разделами физики, пересекающимися друг с другом лишь весьма выборочно. А ведь, казалось бы, наоборот, они должны были давно и неразделимо слиться друг с другом — ведь основа-то у них одна — движение частиц газа.

Вот ещё пара «звуковых» вопросов, необъяснимых с точки зрения вероятностного распределения скоростей молекул. Почему скорость потока газа, попадающего в атмосферу, изначально сверхзвуковая (скажем, при выстрелах и взрывах), очень быстро снижается до скорости звука в атмосфере, а затем именно с такой скоростью ударная волна может распространяться на многие километры? Да, конечно, выброшенные частички газа тормозятся при столкновении с невозмущёнными частицами. Но ведь «горб» «официального» распределения по скоростям весьма пологий, а торможение потока до скорости звука происходит резко!

Другой вопрос. Полученные в рамках МКТ теоретические и экспериментальные результаты говорят, что в соответствии с распределением Максвелла 50% молекул укладываются в диапазон скоростей порядка ±30% относительно наиболее вероятной скорости. Вдумайтесь! Скорости половины молекул могут различаться почти вдвое (от 70% до 130%), а оставшаяся половина различается по скоростям уже в разы! Если предположить, что звук переносится всеми молекулами (а иное предполагать нет оснований), то из-за такой разницы скоростей переносчиков уже на небольшом расстоянии от источника звука всё должно бы смешаться в один нечленораздельный гул. Между тем при отсутствии преград и отражений звук вполне чётко распространяется на десятки и сотни метров. Несколько сот метров звук проходит практически без размытия — каждый может убедиться в этом, вслушиваясь в удары грома при грозе, даже если молния вспыхивает в паре километров от наблюдателя (задержка между вспышкой и звуком 5 секунд и более; раскаты здесь объясняются большой длиной молнии, но первый удар почти всегда слышится чётко). Музыка и даже речь, усиленные мощными динамиками, также вполне разборчиво слышны на расстоянии в сотни метров — это может проверить каждый, посетив в ближайший праздник «места народных гуляний». То же касается и ударной волны при взрывах — она может проходить многие километры как компактный и почти нерасплывшийся сгусток механической энергии, передаваемый воздушной средой. Конечно, она ослабляется пропорционально квадрату расстояния до источника, но ни о каком выраженном размывании ударной волны, неизбежном при существенном различии скоростей элементов среды распространения, речь не идёт.

В ответ на подобные возражения физики лишь кивают и разводят руками: — мы сами понимаем, что это выглядит весьма странно, но вот есть экспериментально полученные распределения зависимости числа молекул от их скоростей, и мы можем объяснить их, только признав идеальность столкновений в газе относительно сохранения (либо обязательно полного обмена) количества движения каждой из сталкивающихся частиц и неидеальность столкновений этих же частиц со стенками сосуда (иначе бы температура стенок и газа взаимно не выравнивалась)! Однако даже из житейского опыта следует, что в мире крайне мало идеальных вещей, а если что-то объявляется идеальным, то скорее всего где-то есть какой-то подвох!

Update 2011. По ЭМТ для передачи звука в газе с небольшой концентрацией молекул важна их действующая скорость. При этом теоретически сама скорость звука вдвое меньше действующей скорости. Однако по мере роста концентрации молекул возрастает вклад потенциальной составляющей — именно поэтому скорость звука в газах возрастает с ростом давления при одной и той же температуре, и именно поэтому в реальности действующая скорость превышает скорость звука менее, чем вдвое. Скорость звука для плотных состояний вещества полностью определяется именно этой потенциальной составляющей.

И.В.Померанцев и его теория тепла

И.В.Померанцев в своей книге «Тепло, работа и физический вакуум» (книга 1, Пермь, 2005 г.) тоже пришёл к аналогичным выводам (намного раньше меня). Кроме того, на мой взгляд, он весьма убедительно объяснил, почему результаты, экспериментально полученные при проверках распределения молекул газа по скоростям, именно такие, какие они есть, и почему так и не удалось (и не удастся!) обнаружить предсказанных классической теорией слишком больших скоростей, а также почему вывод о наличии разных скоростей у молекул идеального газа в равновесном состоянии — лишь результат неверной интерпретации полученных данных.

Впрочем, на мой взгляд, теория И.В.Померанцева хотя и не слишком известна, но заслуживает более подробного и серьёзного рассмотрения, нежели упоминание в двух словах, поэтому обзор её изложен на отдельной странице. Update 2011. Рассмотрению положений теории Померанцева с точки зрения ЭМТ на этой странице посвящён специальный большой раздел. ♦