Электромагнитная термодинамика | Perpetuum mobile: «свободная энергия» и вечные двигатели.

Моим преподавателям физики — с благодарностью.

Электромагнитная термодинамика (ЭМТ)

На этой странице я хочу сформулировать свои текущие представления о взаимодействии атомов в веществе. Они несколько отличаются от традиционных. Прежде всего это относится к причинам, обуславливающим различные термодинамические процессы, но не только. Впрочем, должен сразу разочаровать тех, кто ожидает революционных изменений: полного переворота картины мира с ног на голову или наоборот — не будет, благо все основополагающие постулаты известны уже давным-давно.

Тем, кто хочет сразу узнать основные результаты, не тратя время на чтение всей весьма объёмистой страницы, рекомендую сразу отправиться в её конец — там расположен импровизированный FAQ (Frequently Asked Questions) с наиболее общими выводами по данному разделу.

Как известно, практически все материальные объекты в нашем мире состоят из атомов, и, следовательно, в основе термодинамических процессов должны лежать механизмы межатомного взаимодействия и энергообмена. Наиболее плотно этими процессами на данный момент занимается квантовая физика, а потому некоторые её положения естественным путём становятся основанием логических построений и в области термодинамики (сначала я даже хотел назвать этот раздел «квантовой термодинамикой», но, несмотря на все мои старания, термодинамику невозможно свести лишь к квантовым механизмам, и зачастую они совсем не главные). Правда, есть весьма интересная альтернатива квантовой физике — атомная физика Грызинского, — но и там имеют место практически все упоминаемые ниже эффекты. (Ещё бы, ведь они обнаружены экспериментально, а потому обязаны учитываться любой вменяемой теорией! Меня же в первую очередь интересуют именно экспериментально установленные факты, а не те предположения и выводы, которые невозможно проверить на практике.)

Об электромагнитной природе межатомных взаимодействий на расстояниях, сравнимых с размерами атомов и молекул, известно уже много десятилетий, — на этом, собственно говоря, построены такие общепризнанные и практически полезные разделы науки, как физическая химия. Поэтому очень удивительно, что термодинамика упорно игнорирует этот факт, оставаясь на чисто механистических позициях, вполне адекватных для середины XIX века, но абсолютно устаревших уже в начале XX столетия. Как раз учёт дистанционного электромагнитного взаимодействия атомов и молекул (да и кванты по современным представлениям тоже имеют электромагнитную природу) и приводит к появлению электромагнитной термодинамики (ЭМТ). Тем не менее, многие моменты ЭМТ оказались весьма похожи на всем известную механистическую молекулярно-кинетическую теорию (МКТ). И это вполне закономерно — ведь если бы МКТ была совершенно далека от реальности, она не смогла бы продержаться полтора века в качестве главной (а по сути — до сих пор единственной) активно применяемой термодинамической теории. Конечно, есть и отличия от МКТ — иногда не слишком очевидные, но принципиальные, а иногда прямо противоположные. Иначе не стоило бы заваривать эту кашу.

Предпосылки

Первоначальным поводом к моей целенаправленной работе в этом направлении была теория Базиева-Андреева. Правда, при детальном рассмотрении выяснилось, что предложенная там концепция строения вещества противоречит хорошо известным и неоднократно подтверждённым экспериментальным фактам, не доверять которым или считать их «подогнанными» под ту или иную теорию у меня нет оснований. Прежде всего это имеет место именно на микроуровне, на уровне элементарных частиц. Тем не менее, изящные объяснения этой теорией многих других явлений заставили меня задуматься, можно ли «скрестить» некоторые её положения с теми фактами, которые в эту теорию явно не укладываются.

А «последней каплей» послужила «теория тепловой энергии» Ю.В.Сопова, хотя как раз там практически нет конкретных расчётов, а рассматриваются лишь общие принципы. Впрочем, предлагаемая мною концепция гораздо менее революционна и гораздо ближе к традиционной точке зрения, нежели теория Сопова.

Следует различать объективные факты, непосредственно установленные в результате наблюдений и экспериментов, и выводы, сделанные на основе той или иной теории, которые тоже часто преподносятся как общеизвестные истины, и тоже зачастую согласуются с реальной жизнью — но лишь в рамках тех или иных условий, а распространить их пытаются и за рамки этих ограничений! Факты-опыты (результаты экспериментов) отбрасывать нельзя, они — вещь упрямая, и рано или поздно проявятся так, что от любовно возводимой и оттачиваемой теории, скорее всего, камня на камне не останется. Но факты-выводы (результаты умозаключений) обязательно должны подвергаться регулярному критическому пересмотру, и в случае нахождения противоречий с наблюдаемым в действительности — или безжалостно отбрасываться, или использоваться с необходимыми оговорками и тщательным контролем условий правомерности их применения. О том, на какие факты опирался я, говорится на отдельной странице, а также по мере изложения.

Основные постулаты

Формулировка постулатов

Пожалуй, это всё. Не правда ли, не так уж много, и ничего нового?! Всё это выглядит очевидным и знакомым если не со школы, то уж из институтского курса физики или из статей в массовых научно-популярных журналах типа «Науки и жизни». И «свежесть» этих постулатов измеряется многими десятилетиями. Возможно, кому-то покажется необычным постулат об электромагнитном взаимодействии неионизованных атомов, но он прямо следует из основных законов электродинамики, сформулированных ещё во второй половине XIX века. Единственное, что есть сейчас и чего не было 100 лет назад — это компьютеры, которые позволяют «в лоб», с минимальным количеством упрощений и обобщений, смоделировать взаимодействие сотен и тысяч зарядов и наблюдать за поведением полученной системы.

Пояснения к введённым постулатам

Как правило, постулаты принимаются как данность. Тем более в нашем случае все они общепризнаны в рамках официальной науки, а главное, многократно подтверждены экспериментально, и потому их можно считать достаточно адекватно соответствующими действительности. Выяснение более глубоких причин такого положения вещей, конечно, даст интереснейшие результаты, но оно выходит за рамки данной темы. Изложенного уже вполне достаточно для не совсем обычных выводов.

Однако любой постулат имеет множество аспектов, каждый из которых важен в одной ситуации и малозначителен в другой. Поэтому я хочу обратить особое внимание на те моменты, которые считаю наиболее важными в данном случае.

Пара слов о вероятностях

В термодинамике, впрочем как и в квантовой физике, сплошь и рядом используются вероятностные подходы. Здесь надо чётко понимать, что под «вероятностью» в физике обычно скрывается либо невозможность установить истинные причины начала того или иного события в силу невозможности выделить и измерить все влияющие на него факторы, либо невозможность учесть на практике огромное количество этих факторов, каждый из которых сам по себе вполне известен и измеряем. В последнем случае, чем большей вычислительной мощностью мы обладаем при моделировании физических процессов, тем меньше нюансов можно «паковать в статистику» и тем больше использовать жёсткий детерменизм, более чётко и точно прослеживая взаимосвязь явлений.

В чисто «математическом» виде вероятности могут принести немало парадоксов, особенно на бытовом уровне. Например, некто совершенно честно бросает подкрученную монету с равной вероятностью выпадения орла или решки. Однако уже 9 раз выпала решка, и монета будет брошена в 10-й раз. По теории вероятностей, вероятность выпадения решки 10 раз подряд — 1/1024, и стало быть есть полный смысл сделать ставку на «орла». С другой стороны, по той же теории вероятность выпадения орла или решки для любого отдельно взятого броска — 50/50, и для того, кто не знает предыстории (только что вошёл с улицы), бóльшие шансы выпадения «орла» совсем неочевидны... (Строго говоря, зашедший прав, и в этот момент шансы продолжения или прерывания серии выпадения решки равны, а разными они были перед началом всей серии бросков — при ожидании большей вероятности выпадения орла после серии выпадений решки имеет место упущение из вида критически важных деталей, аналогичное тому, что приводит к известному логическому парадоксу «Ахилл и черепаха».)

Но говоря о физических процессах, я имею в виду именно физический подход к вероятностям, описанный чуть выше. В частности, если считать движение молекул воздуха истинно хаотическим, то существует теоретическая вероятность того, что весь воздух в комнате соберётся в одной её половине. Тем не менее, зная механизм взаимодействия частиц газа более точно, можно с абсолютной уверенностью утверждать, что такого никогда не случится, более того, самопроизвольные неоднородности плотности газовой среды при обычных условиях никогда не достигнут сколько-нибудь существенного размера, который был бы непосредственно доступен нашему восприятию!

Неизменность свойств зарядов

Мне неизвестны сведения о зависимости электрического заряда электрона или протона от каких-либо внешних факторов. Наоборот, эта величина является одной из основных физических констант, в случае необходимости применяемых при любых внешних условиях. Этот же постулат явно или неявно исповедует современная официальная физика, где множество теорий и экспериментов основаны как раз на неизменности свойств электрических зарядов в широчайших диапазонах внешних условий. Это относится именно к первичным электрическим зарядам как таковым (точнее, к их физическим носителям — протонам и электронам), а не к механическим свойствам обладающих ими тел, и не к условиям разделения зарядов или перетекания их с одних объектов на другие, включая всевозможные виды ионизации и рекомбинации.

Атом как система заряженных частиц

В настоящее время не вызывает сомнения, что атом состоит из заряженных частиц, заряды которых в нормальном (неионизованном) состоянии полностью взаимно скомпенсированы. Это подтверждено множеством экспериментов и наблюдений, начиная с опытов Томсона в конце XIX века. Тем не менее, эти заряды разнесены в пространстве, и потому в случае существенных градиентов электромагнитного поля поведение такой системы будет кардинально отличаться от поведения истинно электрически нейтрального тела, не содержащего никаких зарядов. В частности, в сильных электростатических полях, например, между обкладками конденсатора, системы с внешним расположением отрицательного заряда, каковыми и являются атомы с их внешними электронными оболочками, должны стремиться от отрицательной обкладки к положительной (см. эффект Бифельда-Брауна как с точки зрения электростатической ионизации, так и без учёта «ионного ветра», т.е. «истинный эффект Томаса Брауна»).

Также давно и вполне надёжно установлено, что атом является электродинамической системой, о чём свидетельствует, скажем, ненулевой собственный магнитный момент многих атомных ядер и атомов в целом. Экспериментально показано, что электроны, входящие в состав электронных оболочек атома, невозможно локализовать как точечные объекты, и их следует рассматривать как замкнутые кольцевые образования — орбитали. По всей видимости, это связано с природой самих электронов. Как правило, такое положение дел не оказывает принципиального влияния на рассмотрение взаимодействия атомов и молекул, за исключением того обстоятельства, что при таком взаимодействии одно протяжённое заряженное образование, имеющее определённую структуру (форму), по производимому им эффекту способно заменить множество точечных зарядов, в сумме равных заряду этого образования.

Электродинамическое взаимодействие

Итак, атомы представляют собой системы движущихся пространственно разнесённых зарядов, то есть электродинамические системы. А такие системы неизбежно должны взаимодействовать друг с другом. Применение простейшего закона Кулона к взаимодействию систем скомпенсированных электростатических зарядов уже способно выявить существование между ними и сил отталкивания, и сил притяжения, в зависимости от конфигурации и взаимной ориентации этих систем. Более того, при одной и той же конфигурации и ориентации знак результирующей силы может зависеть от расстояния между этими системами, и притяжение на близких расстояниях по мере удаления может сменяться отталкиванием. Подробно этот вопрос рассмотрен на отдельной странице. И даже с учётом лишь электростатического взаимодействия моделирование способно продемонстрировать практически все основные эффекты, связанные с образованием вещества из атомов и поведение вещества в различных агрегатных состояниях.

Электродинамическое взаимодействие реальных атомов, безусловно, сложней применённого мною электростатического моделирования, однако оно происходит по аналогичным закономерностям, поскольку магнитное взаимодействие изменяется с растоянием по такому же закону, как и электростатическое, т.е. поправка на него практически всегда должна быть близка к аддитивной. Учёт магнитного взаимодействия должен приводить лишь к увеличению сил притяжения на близких расстояниях, поскольку по принципу минимизации энергии системы, являющемуся главным принципом взаимодействия физических объектов, атомы должны взаимно ориентироваться таким образом, чтобы обеспечить минимальную потенциальную энергию их общего взаимодействия, то есть минимальное взаимное отталкивание и максимальное взаимное притяжение с ближайшими соседями. Кроме того, из-за ортогональности векторов электростатического и магнитного взаимодействий, учёт полного электромагнитного взаимодействия приведёт не к плоским кольцевым, а к вихревым спиралевидным траекториям взаимодействующих частиц. По всей видимости, это может обеспечить более жёсткую детерминированность размеров и формы молекул по сравнению с учётом одних лишь электростатических сил.

Ещё раз подчеркну: заряды в атоме скомпенсированы, и потому на поведение таких систем влияет не абсолютная величина электромагнитных полей, а именно их градиент, то есть перепад в пространстве, ограниченном размерами атома. Поскольку градиенты наиболее велики в непосредственной близости от заряда, а по мере удаления резко убывают (резче, чем напряжённость поля!), неудивительно, что атомы «воспринимают» друг друга лишь на очень близких расстояниях, и быстро утрачивают «интерес» по мере взаимного удаления.

Взаимодействие вещества и квантов

Общепризнано, что атомы могут принимать и излучать энергию, причём делают это порциями-квантами. Это подтверждается не только множеством научных экспериментов и не только многолетней практикой спектрометрии. На этом основана и работа множества успешно используемых в повседневной жизни бытовых устройств (прежде всего оптоэлектронных и полупроводниковых). Сейчас более важна не констатация этого тривиального на сегодняшний день факта, а особенности процессов поглощения и излучения.

Прямое взаимодействие атома и кванта, приводящее к чисто внутреннему возбуждению атома, возможно лишь при достаточно высокой энергии этого кванта. Однако при наличии системы взаимосвязанных атомов, такая система может взаимодействовать с квантами более низких энергий, запасая их энергию в механическом виде — как кинетическую энергию и как потенциальную энергию деформации межатомных связей, точнее в виде механических возмущений и напряжений в веществе, в некоторых областях официальной науки называемых фононами.

Несмотря на идентичную природу звуковых волн и тепловых возмущений-фононов, их поведение существенно различается. Звуковые волны распространяются по всему кристаллу со скоростью звука. Нагрев распространяется на несколько порядков медленнее. Это связано с совершенно разной амплитудой возмущений — амплитуда звуковых колебаний намного превышает межатомные расстояния, а колебания воздействуют сразу на всю поверхность кристалла, в то время как тепловые возмущения носят точечный характер и имеют малую амплитуду, а потому относительно быстро рассеиваются.

В различных ситуациях механическая энергия может переходить в энергию квантов, и наоборот. Однако это утверждение не означает безусловной обратимости подобных процессов — будет ли такое преобразование и в какую сторону оно пойдёт, определяется конкретными условиями в конкретном месте.

Здесь эти утверждения даются в виде тезисов, поскольку их подробное рассмотрение весьма объёмно и потому вынесено на отдельную страницу.

Основные следствия

Теперь я хочу сформулировать основные следствия и некоторые более частные положения.

Что такое температура

Температура является очень удобной и, что немаловажно, легко и однозначно измеряемой физической категорией. Но что же она характеризует?

Признавая квантовый механизм межатомного обмена энергией, нельзя согласиться с молекулярно-кинетическим определением температуры, лишь как меры кинетической энергии теплового движения частиц тела или среды. Как минимум, часть энергии (и немалая!) должна храниться «внутри» атомов и межатомных связей в виде той или иной степени их возбуждения.

Более того, если в некоторых случаях связь между изменением энергии, физическими параметрами и температурой тела или среды однозначна и практически линейна (именно на этом основано действие ртутных и спиртовых термометров, а также многих других устройств), то в других ситуациях такая связь практически отсутствует. Например, при плавлении-кристаллизации или при испарении-конденсации происходит передача очень большого количества энергии, а температура почти не меняется! Так что же такое температура?

Бытовое определение температуры

Обопрёмся на наш бытовой опыт. Сказав, что одно тело горячее другого, мы со всей уверенностью можем утверждать, что при их взаимодействии более горячее тело будет остывать, а более холодное — нагреваться, то есть тепловая энергия будет переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, и процесс этот будет продолжаться до тех пор, пока их температуры не сравняются. Отсюда и следует выводить определение температуры.

Температура — это мера термодинамического состояния тела или среды, позволяющая оценить направление и интенсивность передачи тепловой энергии при контактном или бесконтактном взаимодействии с другим телом или средой.

Как видите, в отличии от «классического» определения здесь нет в явном виде никакого «движения молекул», зато учтено и бесконтактное тепловое взаимодействие, для которого характерна бесконтактная же (радиационная) передача тепла. Но это определение создано на основе повседневного опыта и бытовых представлений. Оно вполне адекватно даже для науки XIX века, когда наличие атомов лишь предполагалось, а их строение было неизвестно (как правило, они считались неделимыми). Но в XXI веке мы знаем о строении вещества несколько больше и можем дать другое определение температуры, точнее отражающее её физическую суть.

Физическое определение температуры

Температура — это мера возбуждения вещества, включая как атомы, так и межатомные связи.

И всё! Всё остальное — следствия. В частности, это аспекты бытового определения температуры — направление и интенсивность теплового энергетического обмена (большее возбуждение предполагает бóльшую энергию излучаемых квантов и бóльшую вероятность их излучения, а следовательно, бóльшую энергоотдачу). Кроме того, из этого определения следует, что неважно, как именно достигнуто возбуждение — в результате поглощения кванта или при механическом взаимодействии атомов, неважно и то, был ли атом возбуждён когда-то давно и сохранял свою энергию долгое время, или он возбудился только что и через мгновение сбросит энергию, излучив квант. Важно лишь состояние «здесь и сейчас».

В применении к веществу, содержащему огромное число атомов, это как раз тот случай, когда актуальна именно «средняя температура по больнице». Но это определение позволяет говорить и о температуре крайне разреженных сред и даже одиночных атомов, причём безотносительно механического положения «точки отсчёта». А именно такой подход де-факто уже многие десятилетия успешно используется в практике фотометрии, в том числе в астрофизических измерениях.

Характерно, что о кинетической энергии как макроскопических тел, так и отдельных микрочастиц (например, молекул газа) здесь не сказано ни слова. И это не случайно — такая энергия может проявиться в виде температуры при взаимодействии объектов, движущихся с разными скоростями (обычно это называется «переход кинетической энергии в тепловую»), а может и не проявиться, если таковое взаимодействие не произойдёт или будет иметь бесконтактный характер на большой дистанции (скажем, электромагнитный либо гравитационный). Внутреннее же возбуждение атомов и межатомных связей проявляется всегда, даже при отсутствии непосредственного взаимодействия с другими объектами, — в виде квантов теплового излучения.

Помня о законе Вина, носящем универсальный характер, можно дать ещё одно — феноменологическое — определение температуры. Температура — это мера возбуждения вещества, при котором максимум его теплового излучения соответствует определённой частоте. Нечто подобное используется в спектрометрии. Здесь тоже нет никакого явного упоминания о «движении молекул», не оговариваются и механизмы, производящие такое излучение. Однако отсекаются нетепловые виды излучения, такие как свет, излучаемый светодиодами, люминофорами и пр., поскольку там распределение энергий по частотам абсолютно не соответствует формуле Планка, а потому такое излучение не является тепловым.

Тем не менее, до сих пор мы всё ещё тащим за собой «хвост» от МКТ, неявно пытаясь связать температуру с возбуждением вещества. Но достаточно вспомнить о стабильности температуры при очевидности огромного изменения степени внутреннего возбуждения вещества во время смены фазовых и агрегатных состояний, чтобы понять, что такой жёсткой связи не существует. А, например, возможность длительного существования жидкостей в переохлаждённом или перегретом состоянии вообще говорит об отсутствии однозначной связи между температурой и внутренней энергией вещества!

На основании всего вышесказанного можно сформулировать следующее определение: температура тела или среды характеризует мгновенный удельный энергетический поток, обусловленный тепловым возбуждением вещества, который поверхность тела, граница сред или их сечение в данном термодинамическом состоянии может передать через себя наружу. При этом не имеет значения, будет ли отдана энергия путём контактной теплопередачи или радиации. Может показаться, что в этом определении температура связывается с теплоёмкостью и теплопроводностью, однако это не так — речь идёт именно о мгновенной удельной мощности, d(dE / dS) / dt, и малая теплоёмкость с теплопроводностью лишь не позволят поступить к интересующему нас месту необходимому количеству энергии изнутри объекта, а значит, при отсутствии достаточного встречного потока энергии извне, температура этого места тут же снизится, снизится и отдаваемый в этом месте поток энергии! С учётом закона Стефана-Больцмана можно сказать, что температура не является аддитивной величиной: при одинаковой разнице температур разность энергопотоков зависит от абсолютных значений этих температур — и это соответствует тому, что наблюдается в действительности. И да, при этом всегда следует помнить о законе Кирхгофа, жёстко связывающем испускательную и поглощающую способности тел.

Обратим внимание, что во всех попытках определить температуру через внутреннее состояние вещества говорится именно о его «возбуждении», а не о «напряжении», то есть учитывается тот факт, что потенциальная энергия на температуру не влияет. В общем случае термин «возбуждение» охватывает не только кинетическую энергию атомов и молекул, как в традиционном определении, но и внутриатомное возбуждение, особенно актуальное при высоких температурах (по современным представлениям, оно тоже носит кинетический характер). Далее мы увидим, что «излишки» энергии при плавлении-кристаллизации и испарении-конденсации «прячутся» именно в потенциальной форме, и потому при этих процессах энергия вещества меняется, а температура — нет.

Важно подчеркнуть, что сформулированное определение температуры относится именно к потоку энергии, отдаваемой объектом (телом или средой), температуру которого мы хотим определить. Однако в реальности объекты существуют не сами по себе, а окружены другими объектами, которые также отдают энергию вовне, и «наш» объект неизбежно воспринимает ту или иную часть этой внешней по отношению к нему энергии. Таким образом, у реальных объектов всегда существует баланс отдаваемой и воспринимаемой энергии, который и определяет изменения их температуры.

О температурном равновесии

Когда несколько взаимодействующих тел, изолированных от внешней среды, имеют одну и ту же температуру, их тепловая энергия не изменяется, а сами они находятся в состоянии теплового равновесия между собой. Но это не означает отсутствия их энергообмена со своим окружением — просто сколько энергии они отдают вовне, столько же они и получают оттуда, то есть это равновесие не статическое, а динамическое. Стоит изменить один из этих потоков, и тепловое равновесие нарушится, а температура тела начнёт меняться. Это не является новостью, об этом говорится и в рамках традиционной термодинамики, лишь механизм энергообмена там предлагается чисто кинетический.

Попробуем оценить эти потоки энергии с точки зрения теплового излучения, в частности оценить энергии квантов и их количество, приходящееся на каждый атом вещества. Таблица с данными для разных температур вынесена на отдельную страницу, здесь же обсудим лишь главный вывод, следующий из неё. Он заключается в том, что в обычных для нас условиях внешней среды, в диапазоне температур от –40°С до +40°С, радиационный энергообмен вполне существенен и по вышеприведённым оценкам составляет от 150 до 500 Вт / м², то есть именно столько джоулей проходит каждую секунду через каждый квадратный метр твёрдой или жидкой поверхности, поглощаясь и вновь переизлучаясь. Если поверхность граничит с достаточно плотной средой, то теплообмен может быть ещё более интенсивным за счёт контактной (механической) передачи энергии. С газообразными средами дело обстоит несколько сложнее. Плотность потока энергии через квадратный метр сечения такой среды будет примерно такой же, однако для полного поглощения и переизлучения толщина необходимого слоя будет гораздо больше — не только из-за намного больших межмолекулярных расстояний, но и из-за того, что по этой причине молекулы газа гораздо реже образуют конфигурации, способные воспринять или излучить кванты с энергиями, отличными от тех, что они могут воспринять «в одиночку».

Другой важной особенностью является относительно небольшая плотность потока излучаемых (и поглощаемых) квантов, приходящихся на каждый атом поверхности — от примерно сотни в секунду «на морозе» до пары сотен «в комнате» и менее полутысячи при температуре кипения воды.

Косвенным подтверждением преимущественно радиационного теплообмена в комнатных условиях на границе «плотное вещество — воздух» при отсутствии принудительного обдува является заявляемая производителями теплоотдача лучших моделей радиаторов водяного отопления (рабочая температура теплоносителя от 70 до 90°С при температуре в комнате 20°С). Она составляет от 200 Вт до 1 кВт на квадратный метр полной (а не только обращённой в комнату) поверхности, при теоретически возможной для такого перепада температур радиационной энергоотдаче порядка 400..600 Вт / м². «Лишнее» традиционно списывали на кинетический теплообмен по МКТ. Но из-за микронеровностей эффективная площадь поверхности на атомном уровне намного превышает её номинальную площадь. Попытки же приблизить эффективную площадь поверхности к номинальной (зеркальная полировка) сразу резко сокращают и теплоотдачу!

О физическом смысле понятия температуры

Итак, можно сказать, что постулат МКТ «температура — это мера тепловой кинетической энергии», верен, если понимать под этой энергией всю энергию возбуждения атомов, а не одну лишь энергию их механического движения, как это обычно преподносится в МКТ. В то же время, в отличии от МКТ, ЭМТ говорит, что отнюдь не вся тепловая энергия, «вкачанная» в вещество, остаётся кинетической — часть её переходит в потенциальную форму и в температуре «не участвует». Особенно наглядно это проявляется в моменты фазовых переходов. Однако какая именно доля энергии нагрева останется кинетической и повлияет на температуру, а какая станет потенциальной и на изменении температуры не скажется, зависит от конкретного вещества и его конкретной температуры.

Общей для всех веществ характеристикой температуры остаётся лишь отдаваемый вовне поток тепла с учётом излучательной способности, которая обычно гораздо менее зависит от температуры, нежели теплоёмкость, что и было отражено в введённом выше определении. Именно поэтому понятие температуры, в отличии от силы света, является объективной, а не антропоцентрической категорией, и будет оставаться одной из основных физических категорий и впредь.

Тепло и движение

Несмотря на то, что ЭМТ не рассматривает движение молекул как единственную и главную первопричину тепла, нельзя говорить о полной неподвижности частиц, особенно при газообразном состоянии среды. Более того, с ростом температуры подвижность частиц обязательно должна возрастать!

Эта тема весьма обширна и потому подробно рассмотрена на отдельной странице. Здесь я изложу лишь основные тезисы.

Что такое давление

По молекулярно-кинетическим представлениям, если температура — это мера кинетической энергии молекул газа, то давление — это суммарный импульс, передаваемый ими единице площади ограничивающей поверхности за единицу времени. Однако мы выяснили, что понятие температуры нельзя сводить лишь к механическому движению частиц среды. Также и давление веществ в различных агрегатных состояниях, в частности давление газа, нельзя сводить к одному механическому импульсу.

В отличии от температуры, само определение давления газа следует из механики и вполне однозначно. Но необходимо разобраться с вызывающими его механизмами. А таких механизмов целых 3, и в разных условиях они вносят разный вклад в общий результат!

Первый и третий механизмы широко описаны в официальной науке, а вот второй механизм ею почему-то игнорируется. Это тем более странно, что в описаниях физико-химических процессов и во многих других относительно узких областях общепризнанной науки именно электрофизическое взаимодействие атомов и молекул рассматривается в качестве основной, а часто — единственной причины многих наблюдаемых эффектов.

Межатомное притяжение и отталкивание

Понятие кривой взаимодействия

Как уже говорилось выше, расчёт и последующее моделирование убедительно показали, что при определённой конфигурации и взаиморасположении систем пространственно-разнесённых взаимно скомпенсированных зарядов (каковыми, по современным представлениям, и являются неионизованные атомы и молекулы) по мере их сближения силы взаимного электрического отталкивания могут смениться взаимным притяжением.

При этом минимально возможное расстояние между центрами атомов зависит от температуры вследствие теплового расширения веществ, а значит, с изменением температуры и соответствующим изменением этого расстояния изменяется и возможная сила взаимодействия между соседними частицами. Кривую, описывающую зависимость этой силы от расстояния, я называю кривой взаимодействия.

С учётом этой кривой не составляет труда объяснить характерные особенности твёрдого, жидкого и газообразного состояний вещества, а также их переходов между собой. Кратко это рассмотрено ниже, а более подробно — на отдельной странице.

Понятия расстояния, зоны и барьера Ван-дер-Ваальса

Расстояние, на котором сила взаимодействия меняет свой знак, я называю расстоянием Ван-дер-Ваальса по имени наиболее известного первоисследователя этого явления (правда, он считал, что выраженное взаимное притяжение существует уже в жидком агрегатном состоянии, хотя на самом деле оно имеет место лишь в твёрдых веществах). Зону, в которой наблюдается взаимное притяжение и границы которой соответствуют расстояниям Ван-дер-Ваальса, можно назвать зоной или областью Ван-дер-Ваальса. Назвать это «сферой» было бы некорректно, поскольку конфигурация внешней границы такой зоны определяется внешней конфигурацией атомов или молекул и может быть весьма далека от сферической. Ещё раз подчеркну, что расстояние Ван-дер-Ваальса зависит не только от конфигурации самих потенциально взаимодействующих частиц, но и от их взаимной ориентации. Поэтому в зависимости от угла сближения для одной и той же пары частиц это расстояние может быть сравнимо с их размерами, а может и вовсе отсутствовать вплоть до механического столкновения частиц.

Однако для того, чтобы частицы вошли в зону взаимного притяжения, они должны сблизиться весьма тесно, преодолев зону сил отталкивания, создающую потенциальный барьер. Поэтому их исходная взаимная скорость должна быть достаточно высокой, чтобы кинетической энергии хватило на преодоление этого барьера, который логично назвать тем же именем, что и ограждаемую им зону — барьером Ван-дер-Ваальса (конечно, если на сближаемые частицы постоянно действует внешняя сила, достаточно большая, чтобы преодолеть максимум отталкивания потенциального барьера Ван-дер-Ваальса, то скорость сближения уже не имеет определяющего значения).

Температурные условия химических реакций и катализаторы

В свете этого хорошо понятен известный химикам факт — для каждой реакции есть свой диапазон температур. При слишком низких температурах тепловая скорость молекул слишком мала, и они не могут преодолеть барьер Ван-дер-Ваальса, сблизившись так, чтобы начать притягиваться друг к другу — реакция не идёт. Слишком высокая температура даёт слишком большое возбуждение атомов, межатомные связи не выдерживают нагрузки и возникшие соединения начинают распадаться на более простые. Хотя процесс синтеза может продолжаться, распад начинает преобладать над ним — происходит пиролиз (не путать с горением!). Впрочем, при слишком высокой скорости сближения, вызванной повышенной температурой, синтез может почти полностью прекратиться — в момент контакта атомы будут просто отскакивать друг от друга, не успев как следует взаимно переориентироваться и попытаться «склеиться».

В случае сложной формы и больших размеров молекул для правильного протекания желаемой реакции важно, чтобы сближение происходило строго определённым образом, иначе реагирующие молекулы могут соединиться разными способами и образовать разные химические соединения. Это особенно актуально для органической химии с её огромными многоатомными молекулами сложной конфигурации, где для многих реакций оптимальны очень узкие температурные диапазоны. Ведь при превышении оптимальной температуры тепловые скорости молекул реагентов возрастают, их сближение будет слишком быстрым, и молекулы смогут входить в зону Ван-дер-Ваальса в самых разных ориентациях, давая целый букет соединений вместо единственного нужного. Если же скорость более низкая, то электродинамическое взаимодействие ещё на подходе успеет взаимно развернуть молекулы, приводя их к энергетически оптимальной взаимной ориентации, и результаты их соединения будут более предсказуемыми. Но слишком низкая скорость не позволит преодолеть барьер Ван-дер-Ваальса и молекулы вновь разойдутся, так и не соединившись.

Зная об анизотропности зоны Ван-дер-Ваальса, можно предложить и объяснение роли катализаторов в химических процессах — они не образуют прочных соединений с участниками реакции, однако условия на их поверхности способствуют ориентации ближайших молекул как минимум одного из реагентов таким образом, который оптимален для соединения с другими реагентами в нужный конечный продукт (эти молекулы у поверхности катализатора разворачиваются наружу именно тем местом области Ван-дер-Ваальса, которое необходимо для требуемой реакции).

Глобулы

В МКТ предполагалось, что частицы газа взаимодействуют только при непосредственном столкновении. Учёт дистанционного электродинамического взаимодействия существенно расширяет область, в которой частицы оказывают ощутимое влияние друг на друга — ведь теперь для этого им не нужен механический контакт. Очевидно, что и реальная длина «свободного пробега» в данном случае будет заметно меньше, чем следует из положений МКТ, да и само понятие «свободного пробега» становится весьма условным — электромагнитное взаимодействие ощутимо на относительно больших расстояниях, хотя с сокращением расстояния оно резко возрастает. Очень важно и то, что траектории взаимодействующих частиц при этом меняются не резким скачком, а относительно плавно — частицы не «отскакивают», а «поворачивают».

Определение глобулы

Моделирование показало, что при не слишком большой скорости и достаточной концентрации частиц газа в пространстве, каждая из них преимущественно остаётся в «своей» области пространства, не сталкиваясь с соседями и практически не заходя в их «владения». Такую область пространства, в которой частица совершает львиную долю своих движений, называют глобулой. Ещё раз подчеркну, что это не физическое, а виртуальное понятие, введённое для удобства описания поведения частиц. Границы глобул условны и зависят от импульсов частиц и их взаимного расположения в каждый конкретный момент времени.

Дрейф глобул и диффузия

Движение частиц в пределах глобулы достаточно случайно, хотя при моделировании наблюдался преимущественно круговой или колебательный характер такого движения. Синхронизация движения в соседних глобулах теоретически возможна, однако в обычных условиях этот процесс всё время нарушают различные внешние факторы, такие как воздействие соседей с других сторон и изменение механического импульса при получении или излучении квантов. Поэтому периодически возникают ситуации, когда соседи одновременно расходятся в противоположные стороны, освобождая между собой достаточное пространство, чтобы туда, не встретив необходимого сопротивления из-за относительно большого удаления, могла проникнуть «посторонняя» частица. После такого стечения обстоятельств взаимное расположение частиц и связанных с ними глобул изменяется. Рассматривая цепь таких ситуаций применительно к одной частице, можно говорить о дрейфе её глобулы, точнее о дрейфе самой частицы. Если частицы принадлежат к разным веществам, то будет иметь место диффузия одного вещества в среде другого.

Условия проявления глобулярности

По мере нарастания разрежения газа, его частицы всё больше времени проводят на таких расстояниях друг от друга, где их электродинамическое взаимодействие слишком мало, чтобы эффективно ограничивать «территорию» друг друга. Поэтому они могут пройти мимо нескольких соседей, пока не встретят достаточно сильное противодействие из-за того, что очередная встреченная частица окажется слишком близко к их траектории и сможет существенно изменить её. В результате движение всё более приближается к тому хаосу, который постулирует молекулярно-кинетическая теория. Однако хотя при случайном попадании друг в друга столкновения выглядят как «абсолютно упругие», механического контакта всё равно не происходит, а имеет место лишь дистанционное электрофизическое взаимодействие, которое и обеспечивает ту самую абсолютную упругость «соударения».

Рост температуры газа увеличивает скорость и кинетическую энергию частиц, а следовательно, и их «пробивную способность». Поэтому при той же плотности их шансы «проскочить» мимо соседей и выйти за пределы своей глобулы возрастают — в результате по достижении некоторой температуры глобулярность газа начинает исчезать. Однако это процесс постепенный, он не связан с определённой температурой, как фазовые переходы, а занимает весьма широкий диапазон температур. Повышение концентрации частиц (увеличение давления при сохранении температуры) может вернуть глобулярность горячему газу.

Есть и ещё одно условие проявления глобулярности среды — это её относительная гомогенность, то есть сравнимость импульсов всех образующих её частиц. На примере броуновского движения видно, что существенно более крупные частицы в результате хаотической «подпитки» слабыми импульсами приобретают гораздо больший импульс, чем мелкие частицы, и потому в силу своей большой массы проходят сквозь глобулы «мелочи», как танки сквозь мелкий кустарник (с формально-примитивной точки зрения этого быть не должно и все импульсы должны быть равны, но на самом деле это закономерный результат аргументных взаимодействий между лёгкими высокочастотными и тяжёлыми низкочастотными осцилляторами — молекулами газа и крупными частицами). В результате глобулярная структура нарушается, и проявление эффектов, обусловленных ею, невозможно.

Например, летом 2010 года жители Европейской части России, страдающие от жары и дыма лесных пожаров, в районах задымления отмечали особое марево в сочетании с высокой влажностью воздуха. Это было обусловлено тем, что тяжёлые частицы дыма нарушали глобулярную структуру воздуха и не давали воде возможность держаться в виде облаков, равномерно «размазывая» её по всем нижним слоям атмосферы в полном соответствии с постулатами МКТ. Аналогичный эффект не раз отмечался и в результате любимого развлечения бывшего московского мэра — «разгона облаков», когда не было ни дождя, ни ясного солнца, а атмосфера заполнялась тяжёлой влажной дымкой. Такой эффект особенно выражен при самом «бюджетном» способе — распылении цемента с самолётов, когда атмосфера насыщается тяжёлым аэрозолем. Не случайно и городской смог, в отличии от природных облаков и утренних туманов над водоёмами, имеет гораздо более размытые границы — если при отсутствии ветра зона границы облака или тумана может занимать считанные метры, то переход от внутренностей облака смога к чистому воздуху всегда занимает сотни метров, а то и километры. Это также вызвано наличием в составе смога большого количества относительно тяжёлых аэрозольных частиц.

Критерий глобулярности газа

Каким же может быть формальный критерий глобулярной или не глобулярной структуры газа? На мой взгляд, логично предложить следующее. Если более половины пробегов частиц газа между экстремумами скорости не превышают среднего межмолекулярного расстояния для данной плотности газа, характер движения можно считать преимущественно глобулярным. Если же средняя длина пробега превышает это расстояние, то об определяющем влиянии соседей речь уже не идёт, и говорить о глобулярности такого газа уже нельзя.

Поведение веществ при изменении температуры

При изменении температуры вещества проявляются два основных эффекта — это тепловое расширение и изменение фазового состояния, наиболее кардинальным проявлением которого является смена агрегатного состояния вещества.

Тепловое расширение

Как известно, при повышении температуры практически все вещества расширяются. Это относится и к твёрдым телам, и к жидкостям, и к газам.

Однако механизмы этого расширения различны. Если для газов это разгон частиц прежде всего за счёт изменения их импульсов при излучении и поглощении квантов, энергия и механический импульс которых растут вместе с ростом температуры, и как вторичный эффект, механический разгон при электродинамическом взаимодействии с ранее разогнанными частицами газа, то к жидким и твёрдым телам механическое «дрожание» атомов как единственный механизм их теплового расширения применим слабо. Более того, этот механизм предполагает лишь последовательное расширение при нагреве и неспособен объяснить аномалии, например расширение воды при замерзании!

Но в твёрдых и жидких агрегатных состояниях в силу предельно плотной «упаковки» нет выраженного индивидуального движения частиц. Зато в них по всему объёму «гуляют» нано-волны механических напряжений, вызванных тепловыми воздействиями частиц соседних объектов и тепловыми квантами (в некоторых разделах традиционной физики эти волны возбуждений представляются в виде квазичастиц под названием «фононы»). Под воздействием этих волн частицы и испытывают «тепловую дрожь», однако очевидно, что при таком механизме значительная часть тепловой энергии находится в потенциальной форме механических напряжений между частицами, а не в чисто кинетической энергии самого «дрожания», как это часто декларируется.

Кроме того, в космонавтике известно, что для того, чтобы вывести спутник на орбиту большего радиуса, необходимо затратить больше энергии. Квантовая физика также не отвергала этот принцип, предполагая, что орбитали возбуждённых электронов имеют больший радиус, чем в спокойном состоянии. А больший радиус орбиталей, по сути, означает и больший внешний размер атома. Неудивительно, что по мере роста этого возбуждения размеры атомов увеличиваются — а это приводит к расширению вещества, причём с огромными усилиями.

Таким образом, расширение вещества в плотных агрегатных состояниях обусловленно не только «дрожью» в результате распространения по их объёму нано-волн механических напряжений, но и увеличением внешних размеров атомов из-за нарастания возбуждения их электронных оболочек, вызванного нагревом. Признание же расширения в таких агрегатных состояниях лишь как увеличения амплитуды теплового «дрожания» должно привести к признанию достаточно быстрого расширения, обеспечивающего относительно небольшие усилия — так же, как это происходит при нагреве газов.

Чтобы убедиться в этом, можно полностью, без пузырьков воздуха, заполнить жёсткий сосуд (прочную стеклянную бутылку или кусок металлической трубы) водой с температурой 20°C, плотно закупорить его и попытаться плавно нагреть хотя бы до 80°С. Это не получится — нагретая вода либо вытолкнет пробку, либо разорвёт сосуд (все соединения должны быть герметичны и не содержать сколько-нибудь крупных эластичных элементов и прокладок, которые могли бы компенсировать расширение воды). В то же время при нагреве воздуха на те же 60° давление вырастет весьма незначительно и не будет представлять никакой угрозы не только металлической трубе, но и обычной стеклянной бутылке. Столь разный характер роста давления недвусмысленно указывает на существенные различия механизмов, определяющих тепловое расширение в том и в другом случаях.

Update 2012. Вышеописанные механизмы «расширения» атомов и «механических нановолн» следует считать достаточно адекватными, но грубыми приближениями к реальности. Для более точного описания этих явлений, по всей видимости, следует использовать концепцию аргументных взаимодействий, рассматривая в качестве взаимодействующих осцилляторов даже не атомы, а составляющие их элементарные частицы. Кстати, для подобных взаимодействий с небольшим количеством «участников» характерно наличие нескольких возможных стабильных состояний в сочетании с неустойчивостью промежуточных ситуаций. По мере возрастания количества и разнообразия характеристик участников взаимодействий количество возможных состояний увеличиватся, а различия между параметрами «соседних» состояний системы уменьшаются — квантованость возможных состояний как бы размывается. Ничего не напоминает?

Аномалии теплового расширения

Как известно, из правила «нагревание — это расширение, а охлаждение — это уменьшение» есть исключения. Прежде всего, конечно, это аномалии в поведении воды, но есть и другие примеры.

Одним из объяснений этого может быть изменение конфигурации электронных оболочек при изменении их возбуждения. Если говорить в двух словах, то при росте радиуса орбиталей по мере их возбуждения с увеличением температуры, увеличиваются и «промежутки» между ними. И иногда возможен «переход количества в качество», если эти «промежутки» оказываются достаточно большими, чтобы в них «погрузилось» то, что не влезало в более узкие, — конфигурация оболочек атома меняется, меняется и его размер, а изменение внешних электронных оболочек меняет и взаимодействие с соседями — тип кристаллической решётки и величину сил межатомного взаимодействия.

Конечно, это упрощённое описание, но суть примерно такова. В качестве отдалённой иллюстрации можно рассмотреть полученные в результате моделирования внутренние структуры электростатических «атомов», когда внешние «электроны» внедрялись во внутренние слои. Кстати, та же электростатическая модель показала гистерезисный характер подобных перестроений, то есть условия «прямого» и «обратного» преобразований могли существенно различаться, а внутри этого диапазона значений сохранялась исходная конфигурация. Однако по мере приближения к противоположной границе гистерезисного диапазона для перестройки в новую конфигурацию требовались всё более слабые внешние возмущения, выступавшие в роли «спускового механизма». Со всей очевидностью такие же закономерности действуют и в реальных веществах.

Другой механизм заключается в том, что разные межатомные связи в кристалле могут иметь разную прочность, поэтому нарастание возбуждения с ростом температуры разрывает одни из них, в то время как другие продолжают успешно сопротивляться разрыву. В результате атомы и молекулы переориентируются, меняя тип кристаллической решётки и свойства вещества.

Описанные механизмы аномалий действуют только для плотных агрегатных состояний, когда объём вещества прямо определяется размером его атомов и межатомными связями. К газам, где объём определяется только кинетическими параметрами, этот подход неприменим. Но дело в том, что подобные аномалии для газообразного состояния вещества неизвестны. Там закон «горячéе — значит больше» незыблем (конечно, я имею в виду лишь химически неизменные состояния вещества).

Конвекция

Прямым следствием теплового расширения является конвекция — возникновение самопроизвольного движения в жидкостях и газах под влиянием разности температур. При этом конвекционный перенос тепла может быть более эффективным по сравнению с лучистой теплопередачей — механически перемещаясь в пространстве, в дополнение к излучению квантов более «горячие» атомы несут с собой и всю остальную свою энергию, которая при их «остывании» также может быть излучена или механически передана другим объектам, но уже не в том месте, где они её получили, а непосредственно в «месте назначения».

Схема конвекции в жидкостях (слева) и газах (справа). Синим обозначены «холодные» молекулы, красным — «горячие». Жёлто-коричневые стрелки показывают собственный вес и вес вышележащих слоёв, зелёные — реакцию опоры..

В несжимаемых жидкостях область, занимаемая каждой частицей, почти не меняется с ростом давления. Однако «размер» более горячих частиц больше, чем у более холодных, и потому в единице объёма их помещается меньше. В результате тёплая область оказывается легче холодной и всплывает — это закон Архимеда в чистом виде. На левом рисунке видно, что «горячие» частицы испытывают дисбаланс сил в пользу силы, толкающей их вверх. Почему более высокое давление боковых холодных слоёв «транслируется» под горячую область? Потому, что частицы жидкости не испытывают притяжения и взаимодействуют дистанционно, а в таких случаях усилия передаются во все стороны одинаково, в том числе вбок и вверх — это физическая основа закона Паскаля, который работает именно в жидкостях и газах, т.е. в тех агрегатных состояниях, где частицы испытывают взаимное отталкивание. Если же некая область жидкости окажется более холодной, всё происходит наоборот — она «тонет» в окружающей среде, которая не может оказать ей достаточной поддержки.

В газах, где главной составляющей давления является кинетическая, механизм несколько иной, хотя результат тот же самый. Рассмотрим это с глобулярных позиций. По мере роста глубины из-за веса верхних слоёв давление растёт, и размеры глобул, т.е. «личного пространства» частиц, определяемые их кинетическим импульсом (в равновесных условиях стабильным), уменьшаются в соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона. При этом объём зависит от давления и температуры практически линейно, а вот площадь проекции на горизонталь, которая нас и интересует — в степени 2/3. А стало быть, с ростом давления при неизменной температуре горизонтальная проекция «горячих» глобул сокращается слабее, чем у «холодных». На правом рисунке видно, что если сверху на горячую область воздействуют 5 холодных глобул, то снизу — почти 6. Так как сила воздействия каждой из них одинакова, поскольку одинаковы температуры этих глобул, неудивительно, что горячая область будет подниматься вверх.

Во всех этих случаях принципиально важной является возможность проникновения холодных слоёв под горячие или горячих поверх холодных, либо хоть какая-нибудь неравномерность плотностей по горизонтали. Если сверху всё будет равномерно холодное, а внизу всё одинаково тёплое, то «всплытия» не будет, и мы получим феномен температурной инверсии, когда тёплый слой располагается ниже холодного, но не поднимается вверх — явление малоустойчивое, но при отсутствии внешних возмущений достаточно долгоживущее и встречающееся на практике не так уж редко, — как в атмосферных процессах, так и в водоёмах (в последнем случае имеется в виду ситуация, когда все температуры выше +4°С и плотность тёплого слоя меньше, чем у холодного).

Aгрегатные состояния вещества

Подробному рассмотрению особенностей агрегатных состояний вещества и их взаимных переходов с точки зрения электромагнитной термодинамики из-за огромного объёма материала посвящена отдельная страница. Здесь же я лишь конспективно изложу основные положения (выделенные названия абзацев — ссылки, ведущие на соответствующие разделы подробного объяснения).

Агрегатные состояния вещества на кривой взаимодействия.

Твёрдое состояние вещества. Молекулы, составляющие такое вещество, испытывают взаимное притяжение. Это обеспечивает компактность размеров и стабильность формы. Степень внутреннего теплового возбуждения атомов может изменять их внутреннюю конфигурацию, что отражается на их способности взаимодействовать с соседями и приводит к изменениям кристаллической решётки (фазовым переходам второго рода).

Плавление-кристаллизация. По мере роста теплового возбуждения молекула подходит к состоянию, когда в результате увеличения межатомных расстояний из-за теплового увеличения атомов силы межмолекулярного притяжения сменяются силами отталкивания — вещество из твёрдого состояния переходит в жидкое, т.е. плавится. При этом смена силы притяжения на силу отталкивания приводит к скачкообразному «отдалению» молекул друг от друга, сопровождающемуся ещё большим увеличением силы отталкивания. В результате эти силы отталкивания заметно увеличивают внутреннюю потенциальную энергию жидкости по сравнению с твёрдым агрегатным состоянием того же вещества. На обеспечение этой прибавки потенциальной энергии и тратится теплота плавления, но поскольку данная энергия находится в потенциальной форме, в виде температуры она не проявляется и оказывается «скрытой». Если при этом происходит очередная внутренняя переконфигурация атомов или молекул, энергоёмкость плавления существенно увеличивается, как это имеет место в случае воды. Однако взможен и постепенный переход между твёрдым и жидким состояниями при наличии многочисленных межмолекулярных связей с разной степенью прочности. В таком случае вещество постепенно разжижается, не имея выраженной температуры плавления. Это характерно для аморфных веществ, которые, как правило, имеют разнородный состав (стекло) или очень крупные молекулы (различные органические вещества — масла, пластмассы и пр.).

Жидкое состояние вещества. Молекулы жидкости уже не испытывают взаимного притяжения. Между ними существует взаимное отталкивание, но оно слабее, чем отталкивание между молекулами жидкости и окружающего её газа (пара). Важнейшей особенностью жидкого состояния является рост сил отталкивания по мере увеличения межмолекулярного расстояния, что приводит к росту потенциальной энергии системы и потому при наличии большого внешнего давления энергетически невыгодно. По мере роста межмолекулярного расстояния отталкивание достигает своего максимума. Именно этот максимум представляет собой энергетический барьер, разделяющий жидкую и паровую фазы вещества и обеспечивающий стабильность их соотношения при фиксированных внешних условиях, а температура, при которой межмолекулярное расстояние обеспечивает максимум отталкивания, является хорошо известной в термодинамике критической температурой двухфазной системы «жидкость-пар». Пока эта температура не достигнута, молекулам жидкости энергетически невыгодно увеличивать расстояние между собой, если только они не смогут преодолеть этот барьер сразу, одним скачком. При снижении внешнего давления молекулам становится энергетически выгодно перескакивать этот барьер в сторону газовой фазы, и жидкость испаряется (потенциальная внутренняя энергия жидкости переходит в кинетическую энергию молекул пара). Поэтому в вакууме, где внешнее давление отсутствует, жидкости существовать не могут.

Взаимное отталкивание не позволяет частицам жидкости прочно сцепиться друг с другом и тем самым обеспечить стабильность формы. Из-за этого жидкости легко принимают форму ограничивающих стенок. Однако тесное размещение молекул под воздействием внешнего давления обеспечивает хорошую теплопередачу внутри жидкости, а также феномен «псевдокристаллов», когда из-за тесноты размещения все молекулы вынуждены «учитывать» форму и ориентацию своих соседей. Свободного движения частиц жидкости нет — они всегда находятся под тесным влиянием своих соседей. Именно это даёт столь высокую разность в вязкости жидкостей и газов, хотя и там, и там частицы испытывают взаимное отталкивание.

Испарение-конденсация. При дальнейшем росте температуры и вызванном этим росте теплового возбуждения расстояния между молекулами продолжают увеличиваться, возрастают и силы электродинамического отталкивания. Когда силы взаимного отталкивания в жидкости превышают те же силы, действующие в данный момент в газовой среде, становится энергетически выгодным находиться в газообразном состоянии — происходит массовое испарение. Если же температура достигла величины, при которой межмолекулярное расстояние из-за теплового расширения достигает расстояния, соответствующего максимуму электродинамического отталкивания, то вещество проходит критическую точку системы жидкость-пар, выше которой существование вещества в жидком виде невозможно ни при каких условиях, и вещество по своей сути является газообразным. В этой критической точке теплота испарения и поверхностное натяжение жидкости становятся равными нулю, поскольку и то, и другое определяется превышением силы отталкивания, максимально возможной для данного вещества, над силой отталкивания частиц жидкости при текущих условиях, а при критической температуре эти силы совпадают.

Газообразное состояние вещества. В этом состоянии, как и в жидкости, молекулы испытывают взаимное электродинамическое отталкивание. Однако в отличии от жидкости, это отталкивание уменьшается с ростом расстояния между ними. Поэтому частицам газа энергетически выгодно удалиться друг от друга как можно дальше, и газ стремится заполнить весь отведённый ему объём. При этом достаточно заметная доля энергии может находиться в виде кинетической энергии молекул, однако это лишь часть такой энергии наряду с энергией внутреннего теплового возбуждения атомов. Кроме того, при достаточной плотности молекул силы электромагнитного отталкивания, являющиеся дистанционными, заставляют частицы газа двигаться преимущественно внутри определённой области пространства, называемой глобулой.

Объяснения некоторых явлений в газах

Ниже приведены объяснения с позиций ЭМТ некоторых (в основном термодинамических) явлений в газах, не освещённых выше.

Об идеальном газе

По определению, приводимому в любом учебнике, в МКТ идеальным называется такой газ, в котором все взаимодействия его частиц между собой являются идеальными упругими столкновениями. Однако при этом обычно не говорится о другом свойстве идеального газа — вся механическая энергия его частиц сосредоточена в кинетической форме. Между тем, как мы выяснили выше, в реальных газах часть механической энергии всегда пребывает в потенциальной форме, и вклад этой формы растёт с ростом концентрации частиц, т.е. с ростом давления. Именно наличие потенциальной формы механической энергии и обуславливает отличия поведения реальных газов от идеальных даже тогда, когда можно пренебречь вязкостью и конечной скоростью распространения возмущений.

О скоростях частиц газа

В обычном газе всегда существует разброс скоростей его частиц. Более того, мгновенные скорости частиц всё время изменяются, поскольку их энергия постоянно перераспределяется между потенциальной и кинетической формами в соответствии с изменением расстояния до окружающих частиц. Однако распределение этих скоростей мало похоже на предложенное Максвеллом. Более подробно это рассмотрено на специальной странице, здесь же я лишь отмечу, что практическое значение имеет не мгновенная скорость частицы газа, а её действующая скорость, т.е. средняя скорость между двумя последовательными взаимодействиями с другими частицами, как раз и определяющая скорость передачи возмущений в газовой среде и гораздо более однозначно отражающая энергию частицы. Очевидно, разброс этих скоростей гораздо меньше, чем мгновенных, поскольку при взаимодействии частицы стремятся выровнять их.

В отсутствии внешних возмущающих факторов все молекулы газа стремятся выровнять свои импульсы, а значит, и средние скорости. Впрочем, если массы и размеры частиц существенно различаются, ситуация приобретает гораздо более сложный характер. Однако в любом случае при эффективном энергоотводе скорости затухают, глобулярный характер движения становится всё более явным и в конце концов при температуре абсолютного нуля все частицы газа должны будут замереть в центрах своих глобул.

Взаимозависимости термодинамических параметров

Как известно, взаимозависимости основных параметров при относительно невысоких давлениях и плотностях газа (т.е. там, где действуют преимущественно кинетические механизмы температуры и давления) неплохо описываются уравнением состояния идеального газа: P · V = k_г · m · T, где P — давление газа, V — его объём, m — его масса, T — температура, а k_г — коэффициент пропорциональности, зависящий от молекулярной массы газа. Традиционно считается, что все зависимости в этой формуле симметричны, и как повышение температуры меняет объём и давление, так изменение объёма и давления меняет температуру. Однако размышления над конкретными механизмами реализации температуры и давления показывают, что это не совсем так.

В самом деле, при повышении температуры возрастает скорость движения молекул газа, а следовательно, и кинетические составляющие давления и температуры. Здесь всё верно, и именно эта зависимость повсеместно используется в науке и технике. Однако теперь попробуем уменьшить объём. Концентрация молекул возросла, однако их скорости остались прежними. Но ведь концентрация кинетической энергии в единице объёма возросла? Да, возросла, но в полной мере проявиться это может только при контакте со стенкой, поскольку энергия, а значит и температура самих молекул газа сразу после сжатия осталась прежней (да, между собой они стали сталкиваться чаще, но скорости их не изменились и причин для изменения скоростей нет, поэтому кинетическая энергия каждой отдельной молекулы осталась прежней). Поэтому реальный разогрев при сжатии гораздо меньше теоретического даже в случаях адиабатического сжатия, то есть настолько быстрого, что сколько-нибудь заметный теплообмен с окружающей средой не успевает произойти. Этот случай мы и рассмотрим, но сначала необходимо разобраться с изобарической и изохорической теплоёмкостями газов.

Изобарическая и изохорическая теплоёмкости

Почему в газах так сильно различаются изобарическая и изохорическая теплоёмкости? При изобарическом нагреве постоянным поддерживается давление. Как известно, с ростом температуры давление газа возрастает. Это происходит из-за увеличения кинетической составляющей давления, т.е. импульса частиц газа. В результате для поддержания прежнего давления необходимо уменьшить концентрацию частиц, т.е. снизить их количество в том же объёме, чтобы снизить частоту ударов возросшей силы. Наоборот, при измерении изохорической теплоёмкости вне зависимости от нагрева концентрация частиц вещества остаётся прежней, и число молекул в единице объёма неизменно. Казалось бы, для температуры важна лишь энергия частиц, однако это не так — как следует из сформулированного выше определения температуры, важна суммарная энергия на единицу сечения, поток энергии, так как температура поддерживается динамическим равновесием подводимой и отводимой энергии, и дисбаланс здесь приведёт к изменению температуры.

В случае изобарического нагрева возрастает сила каждого отдельного взаимодействия, но число их уменьшается. В случае изохорического нагрева растёт и сила каждого взаимодействия, и их число (в результате возрастания действующей скорости частиц и соответствующего сокращения времени, необходимого для того же среднего пролёта, не изменившегося из-за неизменной концентрации). Поэтому для передачи той же энергии на единицу площади стенки при изохорическом нагреве требуется меньшее увеличение скорости частиц, чем при изобарическом. В результате для изохорического нагрева на ту же разность температур требуется меньший разгон частиц, а значит, требуется затратить меньше энергии, чем при изобарическом нагреве. Всё это отлично укладывается в рамки нового определения температуры и выглядит неочевидным лишь с точки зрения традиционного определения температуры по МКТ, ещё раз подчёркивая неполноту его формулировки. При расширении изохорически нагретого газа и снижении его давления до исходного (как в случае изобарического процесса), уменьшится и его температура — всё встанет на свои места.

Поскольку в плотных состояниях вещества (твёрдом и жидком) с ростом температуры объём меняется очень мало, изохорическая и изобарическая теплоёмкости там практически не различаются.

При одних и тех же температурах соотношение изохорической и изобарической теплоёмкостей разных газов может различаться весьма сильно. Между тем в вышесказанном никак не просматривается зависимость от природы вещества ни соотношения, ни абсолютной величины теплоёмкостей, разве что можно предположить влияние массы молекул (для разгона более тяжёлых частиц надо больше энергии, правда, разгонять их нужно не так сильно, как более лёгкие). Однако в реальности такой строгой зависимости отнюдь не наблюдается. Почему? А потому, что часть тепловой энергии запасается в межатомных связях, в частности во взаимных колебаниях атомов, а энергоёмкость такой связи зависит от её жёсткости, массы атомов и других факторов — то есть от конкретных особенностей тех или иных молекул. Ещё одна часть энергии, особенно при высоких температурах, запасается в виде внутриатомных возбуждений. Поэтому и абсолютные значения теплоёмкостей газов, а также соотношения изобарической и изохорической теплоёмкостей при разных температурах не подчиняются простому единому закону — одни газы при нагреве бóльшую часть поступившей энергии переводят в поступательное движение своих молекул, другие — во внутримолекулярное возбужение, причём соотношение этих частей может зависеть от температуры не монотонно, как в случае водяного пара. Зато есть общая тенденция — чем большая доля тепловой энергии «вкачивается» во внутримолекулярное возбуждение, тем больше абсолютные значения удельной теплоёмкости газа и тем меньше разница между его изобарической и изохорической теплоёмкостями. С этой точки зрения, если рассматривать кристаллы как своего рода «макромолекулы», то можно считать, что практически вся тепловая энергия плотных форм вещества запасается в виде их внутреннего возбуждения, а потому и изохорическая теплоёмкость у них практически равна изобарической...

Нагрев при адиабатическом сжатии

Рассмотрим адиабатическое сжатие газа. Для расчёта изменения температуры при переходе одного и того же количества газа из состояния 1 в состояние 2 классическая термодинамика предлагает нам уравнение адиабаты: T₁ / T₂ = (P₁ / P₂) · (V₁ / V₂)^γ, где T — температуры газа, P — его давления, V — объёмы, а γ = с_p / c_v — соотношение изобарической и изохорической теплоёмкостей.

В этой формуле предполагается, что температура газа повышается в момент его сжатия — равномерно и по всему объёму. При этом разогрев происходит из-за повышения концентрации энергии. Но выше мы уже рассмотрели подобную ситуацию. По своему физическому смыслу формула не верна! При адиабатическом сжатии происходит концентрация энергии газа, но не повышение его температуры. Традиционная термодинамика фактически ставит знак равенства между энергией и температурой, но на самом деле это не так (можно вспомнить плавление и испарение — изменение энергии огромно и очевидно, но температура при этом не меняется). Чтобы проявиться в виде температуры, энергия нужна не любая, а в определённой форме.

Каким же образом происходит разогрев при сжатии газа? «Сконцентрированный» газ передаёт свою энергию стенкам, разогревая их — молекулы газа дополнительно возбуждают молекулы стенок за счёт возросшей частоты (но не силы!) взаимодействий, — и только тогда изменяется скорость молекул самого газа — она уменьшается, кинетическая энергия его молекул расходуется на нагрев стенок. По мере теплообмена с окружающей средой и охлаждения газа до исходной температуры его частицы ешё более теряют свою кинетическую энергию и замедляются. Частицы одного и того газа, имеющего одну и ту же температуру, в сосуде с бóльшим давлением движутся медленнее, чем в сосуде с меньшим давлением! Поэтому утверждение об однозначной жёсткой связи между скоростью молекул и температурой без учёта давления ложно. Более того, сделанный вывод является неизбежным следствием признания существования кинетической составляющей температуры и давления. Однако, невзирая на уменьшение скорости частиц при сохранении температуры с ростом давления, скорость передачи звука и других физических возмущений в газе возрастает, поскольку при этом возрастает роль дистанционной «потенциальной» электромагнитной составляющей давления.

Подобные процессы несколько лет назад рассматривал А.Ф.Спурре. Правда, он представлял частицы газа как идеально упругие электрически нейтральные шарики, но при относительно небольших давлениях это можно считать допустимым.

Охлаждение при адиабатическом расширении

Теперь рассмотрим адиабатическое расширение. В этом случае концентрация частиц газа падает при сохранении их внутренней энергии и возбуждения. В результате поток поступающей от газа энергии на единицу площади стенки становится меньше. В то же время радиационные потери тепла от плотной стенки остаются на прежнем уровне. Поэтому температура стенки начинает падать, пока вновь не установится энергетическое равновесие — уже при новой температуре.

Возникает вопрос — почему же стенки сосудов с разреженными газами и даже вакуумом внутри всё равно имеют температуру окружающей среды? Потому, что пространство внутри них замкнуто, и всё тепловое излучение одного участка стенки улавливается другими стенками, и наоборот! Если же радиационное излучение уходит в открытое пространство, то такой компенсации не происходит, и именно поэтому разница между солнечной и теневой сторонами космических тел может достигать многих сотен градусов.

Почему же при падении давления даже внутри замкнутого сосуда температура стенок всё же падает? Потому, что истекающий газ действительно уносит с собой часть их энергии. В самом деле, в равновесном состоянии частицы стенок передают часть своей энергии частицам газа, однако затем при следующем контакте частицы газа «возвращают» эту энергию частицам стенок. Если же газ истекает из сосуда, то его частицы покидают ёмкость вместе с полученной от стенок энергией, и не возвращают её обратно, — температура стенки падает. Тем не менее, как бы сильно ни упало давление, температура стенок не снизится до абсолютного нуля — стенка никогда не передаст всю свою энергию газу, поскольку у неё всегда есть запас энергии в её толще, и в любой момент времени отнюдь не все волны тепловых возмущений в этой толще направлены к поверхности вещества.

Взаимодействие потока со стенками

Электромагнитная термодинамика позволяет более пристально взглянуть на процессы, происходящие при взаимодействии частиц потока с ограничивающими его стенками. При этом механизмы трения на гидравлически гладких и шероховатых поверхностях принципиально различны, что объясняет различие характера зависимости потерь от скорости в этих режимах. Подробно это рассмотрено на отдельной странице.

Несколько ответов на детские вопросы

Итак, на основании того, что изложено здесь и на других страницах этого раздела, попробую ответить на несколько детских вопросов, на которые МКТ и традиционная термодинамика вразумительных ответов не дают. Правда, если почти все вопросы здесь детские, то ответы на них, увы, таковыми можно назвать не всегда. Ну что ж, такова жизнь

Почему твёрдые тела всегда сохраняют свою форму? Потому, что их атомы и молекулы испытывают взаимное притяжение, и в результате получается жёсткая конструкция, стремящаяся сохранить свой объём и форму в широчайшем диапазоне внешних условий, в том числе при отсутствии внешнего давления.

Почему вода течёт? Потому что частицы жидкости испытывают отталкивание, и это не позволяет ей удерживать фиксированную форму на макроуровне. Отталкивание частиц жидкости между собой возрастает по мере увеличения межатомного расстояния, однако оно меньше, чем их взаимное отталкивание с молекулами окружающей жидкость атмосферы. В результате внешнее давление вынуждает частицы жидкости размещаться максимально близко друг к другу — это минимизирует общую потенциальную энергию системы. Поэтому жидкости несжимаемы и сохраняют свой объём. Стоит убрать внешнее давление, и силы отталкивания немедленно заставят жидкость вскипеть и испариться при любой температуре, хоть немного превышающей температуру замерзания.

Почему газ занимает весь выделенный ему объём? Потому что частицы газа испытывают взаимное отталкивание, сила которого убывает с ростом расстояния между ними. Поэтому для минимизации общей потенциальной энергии системы частицам газа выгодно находиться как можно дальше друг от друга, то есть равномерно заполнять весь доступный объём.

Почему атмосфера не покинула Землю и не улетела в космос? Потому что, хотя молекулы воздуха имеют достаточно большую тепловую скорость и существенный разброс скоростей, распределение скоростей отличается от Максвелловского, теоретически допускающего самопроизвольный разгон до бесконечно больших скоростей. Средняя действующая скорость молекул воздуха превышает скорость звука (330 м/с) примерно в 1.4 раза, и вероятность превышения средней действующей скорости хотя бы втрое (1.5 км/с) крайне мала. Достижение по термодинамическим причинам первой космической скорости (7.9 км/с) и тем более скорости убегания — второй космической скорости (11.2 км/с), — представляется практически невероятным.

Почему воздух не падает на Землю? Потому что в результате своего теплового движения частицы воздуха «расталкивают» друг друга, как бы взбивая перину. Кроме того, даже малоподвижные частицы газа испытывают существенное электрическое отталкивание, не позволяющее им сблизиться и «слипнуться» друг с другом (впрочем, на Земле нет температур столь низких, чтобы именно это было причиной сохранения атмосферы, но именно это предотвращает конденсацию холодных газовых туманностей в открытом космосе).

Почему существуют облака? Потому что при относительно низкой температуре и достаточно высокой плотности газа его частицы часто не могут пройти мимо своих соседей и преимущественно движутся внутри ограниченных областей пространства — глобул. Микрокапельки воды удерживаются глобулами воздуха, как лёгкий волейбольный мяч либо маленький камешек могут удерживаться на куче полусдутых воздушных шариков. В результате границы областей повышенной концентрации микрокапелек могут быть достаточно резкими и относительно устойчивыми. Это позволяет существовать облакам и туману длительное время в виде обособленных образований с вполне определёнными границами. По мере роста капелек их масса возрастает, они «продавливают» глобулы воздуха и проваливаются вниз — начинается дождь. Так сквозь упомянутую кучу полусдутых шариков провалится большой камень или тяжёлый баскетбольный мяч. Более подробно этот момент и этот пример в своей книге рассматривает Ю.В.Сопов. По той же причине в тихую погоду дым и туман, достигнув определённой высоты, могут «растекаться» там тонким слоем, долгое время не рассеиваясь и не опускаясь в нижние слои. Впрочем, не стоит сбрасывать со счетов и электрические силы, связанные с накоплением атмосферного заряда под воздействием солнечного излучения и его концентрацией и переносом на микрокапельках воды. Как и во многих других случаях, здесь действуют сразу несколько механизмов.

Всегда ли в газе существуют глобулы? Нет, не всегда. Повышение температуры и падение плотности снижает ограничивающее влияние соседей, и частице газа проще пройти мимо них, — она выходит за пределы ближайших окрестностей. По всей видимости, при нормальном атмосферном давлении температура, при которой глобулярность начинает сходить на нет, для воздуха составляет примерно 15–25°С. Недаром утренний туман рассеивается, как только Солнце немного поднимется над горизонтом (я помню о зависимости влагоёмкости воздуха от температуры, но имею в виду именно существование сгустков тумана как самостоятельных образований с достаточно чёткими границами, как бывает в прохладную тихую погоду). С высотой температура снижается, и даже летом там сохраняются условия для существования облаков (однако летом эта граница выше, поэтому зимой низкая облачность встречается чаще, чем летом). В то же время с ростом высоты концентрация молекул падает, и верхней границей преобладания глобулярности в земной атмосфере можно считать зону верхней границы облачности, которая редко превышает 10 км, — там плотность воздуха примерно втрое меньше его плотности на уровне моря, а температура держится на уровне –50°С.

Почему для электризации предметов необходимо потереть их друг о друга? Поскольку входящие в состав атомов заряды разнесены в пространстве, электрическое поле атомов неоднородно. Поэтому при интенсивном взаимном перемещении атомов эти неоднородности позволяют одним атомам терять электроны, а другим — захватывать их. В результате происходит механическая ионизация вещества, называемая также «электризацией». Однако с ростом межатомного расстояния воздействие неоднородностей резко падает (обратно пропорционально 6-й степени расстояния). Из-за этого эффективная электризация возможно только на очень малых расстояниях, соответствующих непосредственному контакту объектов. С ростом взаимной скорости контактирующих объектов электромагнитное воздействие неоднородностей увеличивается, и интенсивность электризации растёт (магнитная составляющая этого взаимодействия пропорциональна относительной скорости, электрическое поле заряда в общем случае также зависит от его скорости и направления). Это верно и для газовых струй, и для жидкостных струй, и для твёрдых тел, а также для всех случаев обтекания объектов струями.

Почему сильные бури и вихри всегда сопровождаются молниями? Потому что интенсивное движение потоков воздуха и капель при бурях, вихрях и ливнях не только интенсифицирует перенос предварительно накопленных атмосферных зарядов, но сопровождается гораздо большей по сравнению со спокойными условиями механической ионизацией (электризацией). Электризации всегда сопутствует обратный процесс — рекомбинация ионов, когда противоположные ионы притягиваются друг к другу и нейтрализуют свои заряды. Однако активное движение взаимодействующих веществ механически удаляет образовавшиеся ионы друг от друга и препятствует их рекомбинации. В результате происходит эффективное разделение зарядов и нарастание разности потенциалов, которая в конечном счёте компенсируется уже не постепенной рекомбинацией, а резким пробоем. Этот пробой и порождает молнии. Эффективно выравнивают потенциалы хорошие проводники, прежде всего металлы, лучшими из которых являются серебро, медь, золото, хром, алюминий (в порядке убывания). Поэтому быстродвижущиеся неизолированные детали металлических машин обычно не испытывают ощутимой электризации.

Почему сложенные вместе куски разбитой чашки не слипаются обратно, даже если они идеально подходят друг к другу? Прежде всего, поверхность скола редко остаётся в идеальном состоянии — почти всегда там происходит дополнительное разрушение, деформация, окисление и загрязнение, так что на уровне атомов две стороны скола совпадают отнюдь не идеально, и это осложняет обратное слипание. Но главное — это то, что по мере сближения атомов возрастает сила взаимного отталкивания, которая достигает максимума на расстоянии, сравнимом с размерамии самих атомов, формируя потенциальный барьер Ван-дер-Ваальса. Эта сила очень велика и сравнима с силами, обеспечивающими прочность твёрдого тела, причём в случае твёрдого тела эту силу необходимо преодолеть сразу по всей соединяемой поверхности. Можно вспомнить сварку давлением и кузнечную сварку, позволяющие соединять детали без нагрева до температуры плавления материала. Для непрочных веществ, например пластилина, эта сила мала, и потому его куски можно соединить, сильно прижав их руками.

Почему капельки жидкости легко соединяются друг с другом? Потому что жидкость не имеет фиксированной формы, и достаточно пробить барьер Ван-дер-Ваальса в одной точке, как «пятно контакта» начинает стремительно расширяться, стремясь минимизировать общую поверхность сливающихся капель под влиянием поверхностного натяжения.

Как работает клей? Клей в жидкой форме пробивает барьеры Ван-дер-Ваальса с поверхностями всех склеиваемых деталей и смачивает их. Далее по мере высыхания растворителя полимеризующиеся остатки клея «находят» точки притяжения с кристаллическими решётками на поверхностях склеиваемых деталей и образуют связывающие их молекулярные цепочки (причина этому всё та же — минимизация общей потенциальной энергии системы). Как правило, из-за пустот, остающихся после высыхания растворителя, прочность слоя клея меньше прочности деталей, и для получения крепкого шва необходимо, чтобы слой клея был как можно тоньше и имел как можно больше точек контакта (притяжения) с поверхностями деталей. Поэтому склеиваемые детали обычно сильно прижимают друг к другу или сжимают струбцинами и оставляют так до полного высыхания, причём часто это делается после предварительного подсушивания клея с целью удаления излишков растворителя.

Почему нет универсального клея? Если образующиеся при полимеризации клея молекулы не могут найти такое место на поверхности детали, чтобы силы притяжения превышали силы отталкивания, они не могут «прилипнуть» к ней, и детали не склеиваются, а рассыпаются после высыхания растворителя. В силу огромного разнообразия веществ невозможно подобрать молекулы, подходящие, как ключ к замку, сразу ко всем поверхностям.

Почему обычно пайка прочнее клея? Процесс пайки аналогичен процессу склеивания, только для получения жидкого клея используется растворитель, а для получения жидкого припоя используется нагрев. Отсутствие пустот после высыхания растворителя обеспечивает бóльшую плотность и однородность соединяющего детали слоя, а значит, его бóльшую прочность, — а при пайке растворителя нет. По той же причине двухкомпонентные клеи (с отвердителями) обычно прочнее однокомпонентных (с растворителями) — отвердитель не улетучивается, а вступает в химическую реакцию, и плотность клеевого слоя остаётся высокой.

Почему нельзя избежать гидравлического трения? Потому что даже в идеально отполированной трубе поверхность взаимодействия атомов стенки и потока будет неровной из-за «выступов» барьера Ван-дер-Ваальса над атомами стенки и «впадин» между ними. Из-за этого взаимодействие частиц пристеночного слоя жидкости со стенкой напоминает движение колеса по булыжной мостовой, причём при столкновениях угол отражения вдвое превышает угол падения. В результате тангенциальная компонента скорости пристеночного слоя превращается в нормальную — поток у стенки неизбежно тормозится и завихряется (турбулизируется). При этом прямая передача кинетической энергии потока стенке может быть весьма малой, но потери на жидкостное трение весьма велики.

Почему любые текучие среды (и жидкости, и газы) при движении завихряются? Потому что любые случайно-регулярные изменения траектории, неизбежные для частиц текущих сред, приводят к существенному изменению направления их траекторий, выглядящему как закручивание движения. Линейное, ламинарное движение текучих сред всегда является вынужденным!

Почему с ростом скорости потока размеры образующихся завихрений уменьшаются? Потому что при дистанционном взаимном отталкивании частиц повышение скорости (до определённого, но очень высокого предела) приводит к росту отклонения от прежней траектории, что ускоряет закручивание. Замечу, что постулируемый МКТ механический контакт частиц такого эффекта дать не может!

Заключение

Итак, выдвинутые на этой странице положения, на мой взгляд, способны пролить свет на многое из того, что общепринятые представления «объясняют» с большими натяжками или вообще не объясняют — начиная с детского вопроса «почему существуют облака?», до понятий давления и температуры и объяснения основных особенностей всех агрегатных состояний вещества. При этом я считаю очень важным то обстоятельство, что не вводится никаких новых первичных физических сущностей, никаких кардинальных новшеств, переворачивающих картину мира с ног на голову, а всё опирается на давно известные и подробно исследованные фундаментальные факты и закономерности. Меняется лишь «напяленная» на них теоретическая «одежда», и это позволяет сделать принципиально другие выводы. Но основа остаётся прежней, проверенной многими поколениями экспериментаторов.

Почему предыдущие попытки были неудачны? Потому, что их авторы пытались свести всё к какому-либо одному фактору. Это давало гениально простые и изящные решения, которые успешно использовались на практике в определённом диапазоне условий, но при попытке придать той или иной теории универсальность и расширить её границы, это тут же приводило к необходимости громоздить огромное количество условностей, допущений и натяжек, чтобы хоть как-то свести концы с концами. Жизнь и сложнее, и проще. Сложнее, потому что в термодинамике практически всегда одновременно действуют два, а то и три механизма, и вклад каждого из них определяется конкретными текущими условиями. Проще, потому что сами эти механизмы не слишком сложны и по отдельности неплохо изучены уже много десятков лет назад! А главная ошибка — это отношение к атомам и молекулам как к «инертным бесструктурным шарикам», псевдотвёрдым телам, в то время как другие отрасли физики уже давно и хорошо изучили «внутреннюю жизнь» атомов, их квантовое возбуждение, неразрывно связанное со взаимодействием с внешней средой, и их внутреннее устройство, представляющее собой ансамбль хотя и скомпенсированных, но разнесённых в пространстве зарядов (иногда об этом упоминалось на словах, но на практике в термодинамике не учитывалось). Природа едина, и разбиение её на «епархии» тех или иных наук и их разделов есть лишь условность, которая иногда удобна, но иногда надо отбросить её и взглянуть на мир шире! ♦