Основные законы термодинамики.

Решение энергетических проблемы было для меня одной из главных задач. Мощным импульсом была экологическая проблема. Современная наука не только не в состоянии решить эти насущные проблемы, но запрещает поиск и внедрение новых экологически чистых источников энергии. Цитирую: „Закон сохранения энергии запрещает получить работы в большем количестве, чем затрачиваемая энергия” стр. 127[1]. Другими словами, препятствием при внедрении перспективного проекта является жесткий менталитет физиков, наших современных ученых, которые подняли в догматический ранг неверные законы (законы сохранения) опломбировав их с штампом неприкосновенности.

„В середине XIX века многочисленные эксперименты показали, что механическая энергия никогда не исчезает бесследно. Например: молоток падает на кусок свинца – аналогический систем молотка описываем в нижеследующих экспериментах (д.а.) – и свинец определенно нагревается. Силы трения замедляют тела и при этом нагреваются. На основании многочисленных таких наблюдений и обобщение экспериментальных данных, был сформулирован закон сохранения энергии. Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии не варьирует, она переходит из одной формы в другую. Закон сохранения энергии дирижирует все явления в природе и объединяет их. Он соблюдается абсолютно: не известен ни один случай, когда он не соблюдался. Этот закон был открыт в середине XIX века немецким ученым Ю. Майер (Maier, 1814-1878) по профессии врач, английский ученый Дж. Джоул (Joul, 1818-1889), и было полностью сформулирован в работе немецкий ученый Г. Гельмгольц (Helmholţ, 1821-1894)” стр. 63[2].

Чтобы формулировать основной закон, не нашли другие эксперименты более убедительные? Точно, как закон из молотка, который довел людей до грани катастрофы. Повторяю: „Закон сохранения энергии запрещает получить работы в большем количестве, чем затрачиваемая энергия” стр. 127¹. Я считаю, что законы из физики должны принести объяснения и ни в коем случае не запрещать.

Лично я считаю, что идею сохранения энергии (энергия – действие) является абсурдной. Это утверждения делаю на основании длительного научных исследований в область механической физики. Я твердо убежден, что закон сохранения и превращения энергии является ложным, то, что я хочу демонстрировать и Вам, с помощью простого эксперимента. А именно: поднимаем на определенное высоту груз в виде стержня, который может вращаться на горизонтальной оси проходящая через конец стержня перпендикулярно его, а при падении получаем больше работы – работу эквивалентной падения груза, масса которая в 1,33 раза больше чем масса стержня, поднятые на одинаковые высоту (больше аргументов найдете в брошюрах [3] и [4] ).

Физика является экспериментальной наукой. Это означает, что законы из физики устанавливаются на базе накопленных экспериментальных проверенных данных. Формулы из физики выражают определенные отношения, которые должны существовать между измеряемыми величинами. Таким образом, получение разных измерений одного и того же эксперимента приводит нас к противоречивым выводам. Разница между значениями в 30% значительное, чего нельзя пренебрегать или считать ошибкой измерения.

Чтобы лучше понять эти утверждения, мы будем исследовать следующие явление. Эта система представляет тело в виде стержня, опираясь одним концом с возможностью вращаться вертикально. Вычислим потенциальную энергию стержня в разных точках. Стержень (рис.1) с длиною в 0,6 m и весом m_b в 2 kg разделим на 12 равных частей.

Используя формулу: вычисляем силу тяжести в 12 точках стержня. Где: F – сила тяжести действующей в точке обследованные (kgf), G – масса (вес) стержня (kg), – длина стержня (m), – расстояние от оси вращения до обследуемой точки (m).

Мы получим тот же результат, если в этом случае мы будем использовать динамометр, для определения силы тяжести в этих 12 точки стержня. Пишем полученные данные в таблицу и вычисляем потенциальную энергию Wp для каждой обследуемой точке в отдельности, которая находится на расстояние h, в сравнении с точкой B(рис.1). Согласно актуальной теории имеем: F₁ · ₁ = M₁ и F₂ · ₂ = M₂

Мы знаем что: F₁ < F₂ и ₁ > ₂ (рис.1).

Согласно данных из таблицы 1 имеем: M₁ = M₂ или Wp = mgh = 5,88 J – констант.

Таблица 1

Очевидно, что потенциальная энергия Wp стержня (рис.1), вычисленная согласно актуальной теории, является постоянной величиной и имеет те же значения во всех точках на стержне (см. таблицу 1). Поэтому, независимо какая точка на стержне используется в ходе эксперимента, мы получим один и тот же результат (подчеркиваю, в соответствии с актуальной теорией). Для упрощения этих расчетов в физике было введено понятие «центр масс», поэтому при вычислении потенциальной энергии Wp вращающего тело (рис.1) в сравнении с определенной точкой (от A доB), не требует большие усилия: Wp = mgh

Если значенияm и h являются постоянными величинами, то потенциальная энергия тела остается постоянной при любых обстоятельствах. Следуя актуальным законам физики, получаем: W₁ = W₂ или Wp.b.– констант (от AдоB). Хочу отметить некоторые заявления современной физики: „Механическая энергия E изолированной системы сохраняется” стр. 87[5]. А: „Свойство сохраняться означает быть неизменным” стр. 102[6]. Или: „Полная механическая энергия системы изолированных тел, которая взаимодействует гравитационными и эластичными силами, сохраняется при любых движениях тел из системы” стр. 120⁶. Я считаю, что в этом случае современная наука ведет нас в заблуждение.

Лично я не согласен с этой „теории”, так как после проверки „теории” я обнаружил, что она не совпадает с практикой. Предлагаемый эксперимент является закрытой, изолированной системой, в котором одно и тоже тело перемещается на равное расстояние, позволяет получить различные энергии (разница между значениями в 30%), что противоречит закону сохранения и превращения энергии. Великий русский ученый М.В. Ломоносов сказал: «Один эксперимент я ставлю выше, чем тысячи мнений рожденным воображением»

Используя макеты мы будем демонстрировать этим явлением. Для проведения эксперимента требуется ряд преобразований энергии, а затем сравнить полученные значения. Очевидно, что не все физические величины можно определить прямым измерением. Иногда приходится прибегать к косвенным измерениям, поэтому в данном случае мы будем использовать пружину. Важные факторы, которые нельзя игнорировать состоят в том, что система должна быть эквивалентна в обоих случаях, а именно: не позволено изменить массу стержня m_b (имеется в виду количество вещество стержня), не позволено увеличить или уменьшать расстояние h (высоту на которой поднимается стержень), а пружина в инициальном положении не должна быть деформированной.

Модель представляет собой систему, состоящую из тела в виде стержня, имеющего на одном конце точку опоры с возможностью вращения в вертикальной плоскости (рис. 2, 3 и 4).

Обозначим инициальное положение стержня буквой A, а положение, в котором вся кинетическая энергия стержня превратился в потенциальной энергии пружины, обозначим буквой B (рис. 2). В положение A стержень обладает большей потенциальной энергией, чем в положениеB. Отметим, что линия EE¢ параллельно линию DD¢ и параллельно линию OO¢ – EE¢ || DD¢ || OO¢.

Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4

Пусть стержень падает из точки A в точку B (рис. 2). При падении потенциальная энергия Wp стержня превращается в кинетической энергии Wc, а эта энергия в своей очередь превращается в потенциальную энергию пружиныWp (деформация пружины). Другими словами, потенциальная и кинетическая энергия тратится на деформацию пружины (рис. 2).

Тот же стержень падает из точки A в точку B (рис. 3), но в этом случае мы меняем точку опоры пружины и точку вязки с стержнем. Таким образом, та же кинетическая энергия Wc стержня потратиться для деформации той же пружины. Ясно видно, что стержень доходил до точки C (рис. 3). Для наглядности представьте себе, что мы снизили скорость падения стержня, в результате мы видим, что стержень находившиеся в точке B (рис. 3) ещё обладает некоторой кинетической энергией DWc. Именно из за этой энергии стержень будет продолжать движение до точке C (рис. 3). Эту кинетическую энергию DWc мы должны преобразовать в потенциальную энергию DWp таким образом соблюдая условие заданных правил, а именно: система должна быть эквивалентна в обоих случаях, не позволено увеличить расстояние B C(рис. 3). В этом случае (см. рис. 4) мы будем использовать дополнительную пружину с меньшей жесткостью (k₃). Чтобы избежать ошибок повторим эксперимент (рис. 2) и (рис. 4), а затем сравним полученные результаты.

Обозначим:

Wp – потенциальная энергия,

Wc – кинетическая энергия,

Wp₁ – потенциальная энергия который обладает стержень до преобразовании, первый вариант,

Wp₂ – потенциальная энергия который обладает стержень до преобразовании, второй вариант,

Wp.t.₁ – потенциальная энергия после преобразовании, первый вариант (рис. 2),

Wp.t.₂ – потенциальная энергия после преобразовании, второй вариант (рис. 4),

DWc – небольшая кинетическая энергия по сравнению с кинетическая энергия действующем в системе,

DWp– небольшая потенциальная энергия по сравнению с потенциальной энергии действующем в системе,

e_x – потери энергии в системе (рис. 2 и рис. 4).

Обозначим Wx – значение кинетической энергии [стр. 118, tab. 1][7] в исследуемой точке ( ) находящейся на стержне в данной системе (рис. 2 и рис. 4).

(1)

Где: m_x , _x şi w_x – величины, которые соответствует каждой исследуемой точке (x) на стержне.

e_x – потери энергии в системе.

Для каждой системы в отдельности можем написать следующие уравнения:

для рисунка 2 (2)

для рисунка 4 (3)

Закон сохранения и превращения полной механической энергии гласит: „энергия не создается и не исчезает, а лишь передается от одного тело к другому или превращается из одной формы в другую в равных количествах” стр. 102[8]. Согласно этому закону имеем:

для рисунка 2 (4)

для рисунка 4 (5)

„При решении механических задач по законам сохранения можно не рассматривать промежуточные состояния системы, а сразу сравнить начальное и конечное состояния. Поэтому при решении задачи полезно выяснить, нельзя ли применить законы сохранения – это облегчит и ускорит решение” стр. 102[9]. Так как изменение потенциальной энергии системы не зависит от промежуточного состояния, можно написать следующие уравнения:

для рисунка 2 (6)

для рисунка 4 (7)

так как: m₁ = m₂ g – const. h₁ = h₂ получаем: или Wp₁ = Wp₂

согласно закону сохранения энергии если: Wp₁ = Wp₂или (8)

тогда должно и: Wp.t.₁ = Wp.t.₂ или e₁ = + e₂ (9)

так как: k₁ = k₂ и ₁ = ₂ тогда и (10)

после сокращения уравнения (9) на основании уравнения (10) получаем: e₁ = + e₂ (11)

где: e₁ = e^′₁ + e^″₁ + e^′′′₁ а: e₂ = e^′₂ + e^′′₂ + e^′′′₂ + e₃

e^′₁ şi e^′₂ – потери энергии в подшипниках,

e^′′₁, e^′′₂ şi e₃ – потери энергии при деформации пружины,

e^′′′₁ şi e^′′′₂ – потери энергии на сопротивлении воздуха ( разница между

значениями – e^′′′₁ şi e^′′′₂ – незначительная, но все-таки она есть).

После тщательного, научного, многостороннего анализа, основанного на фактических значениях эксперимента, было установлено что:

e^′₁ < e^′₂ так как F₁ < F₂ (см. рис. 2 и рис. 4)

e^′′₁ < e^′′₂ + e₃ так как e^′′₁ = e^′′₂ (см. отношения 10)

e^′′′₁ > e^′′′₂ так как w₁ > w₂ (прямые измерении).

В действительности получаем: e₁ < e₂ и e^′₁ + e^′′₁ + e^′′′₁ < e^′₂ + e^′′₂ + e^′′′₂ + e₃ (12)

Где: e₂ - e₁ = e₄ (13)

после сокращения отношению 11 на основании отношению 12 получаем: 0 = + e₄ 14)

Отношения 14 противоречит закону сохранения полной механической энергии, которая говорит нам что: в любом случае при превращении энергии из одной формы в другую сохраняется равенства. Согласно этому закону, левая часть уравнения 14 должна быть ровной правой части уравнения, но в действительности мы не получаем равенство.

До превращения мы имели равенство: Wp₁ = Wp₂ или (15)

После превращения мы получаем неравенство: Wp.t.₁ ¹ Wp.t.₂ или Wp.t.₁ < Wp.t.₂ (16)

В действительности соотношения: не соблюдается,

мы получили: (17)

После превращение мы получили: (появляется избыток энергии) (18)

что противоречит закону сохранения и превращения полной механической энергии.

Согласно этому закону, если: Wp₁ = Wp₂ тогда должно и Wp.t.₁ = Wp.t.₂ (19)

Чего в этом случае не соблюдается, в действительности мы получили: Wp.t.₁ < Wp.t.₂ (20)

Потенциальную энергию стержня нельзя вычислить по известной формуле Wp = mgh. Потенциальная энергия тела зависит не только от его положения по отношению к другому телу, но и от характера взаимодействия между ними. Каждой точке вращающего тела соответствует своя потенциальная энергия. Таким образом, очевидно, что в этом случае необходим другой закон, который объяснил бы это явление. Этот закон, возможно, сформулировать так: энергия тела в виде стержня, который вращается на горизонтальной оси проходящая через конец стержня перпендикулярно его, варьирует обратно пропорционально длине стержня.

Физики консерваторы категорически отрицает справедливости этой теории, утверждая, что разность энергии они не видят, все находится в идеальном равновесии, согласно закону сохранения и превращения полной механической энергии. Они утверждают, что недостающая энергия (отсутствующая) находится в виде тепловой энергии пружины (см. рис. 2), не смотря на то, что в данном эксперименте наблюдается и появление дополнительной энергии (см. рис 4). В этом случае я вынужден показать такой же эксперимент с использованием другого метода измерения энергии.

Повторяю, вычисление энергии необходимой для выполнения этой работы (деформировании пружин см. рис. 2 и рис. 4) согласно известных формул – mgh – не является правильной. Поэтому мы решили измерить эту энергию косвенно, путем деформирования алюминиевой пластины, как при определении твердости металлов по методу Бринелля. Пластины будут размещены в трех различных положениях (см. рис. 5, 6 и 7). В этом эксперименте мы используем стержень с длиною в 0,52 m и массой 3kg (рис. 5, 6 и 7). Обозначим инициальное положение (горизонтальное) стержня буквой A, а буквой B – положение стержня сдвинут вверх на 90⁰ (вертикально).

Рис. 5 Рис. 6 Рис. 7

Поднимаем стержень из точки A в точку B (рис. 5). Мы выполнили некоторую работу A₁. Ставим алюминиевую пластину в крайнем точке противоположной точке опоры (точка 1, рис. 5). Отпускаем стержень из точки B до точки A. В этом случае будет сделано работа A₂ на деформирование алюминиевой пластины (рис. 5).

Повторяем поднятия стержня из точки A до точки B (рис. 6). Мы выполнили работу A₃. Ставим алюминиевую пластину по центру (точка 2, рис. 6). Отпускаем стержень из точки B до точки A. В этом случае будет сделано работа A₄ на деформирование алюминиевой пластины (рис. 6).

Еще раз поднимаем стержень из точки A в точку B (рис. 7). Мы выполнили работу A₅. Ставим алюминиевую пластину как можно ближе к точке опоры стержня (точка 3, рис. 7). Отпускаем стержень из точки B до точки A. В этом случае будет сделано работа A₆ на деформирование алюминиевой пластины (рис. 7).

Тщательно проанализируем этот эксперимент.

Имеем: A₁, A₃ и A₅ – работу выполненная при поднятия стержня во всех трех случаях.

Где: A₁ = A₃ = A₅ – потому что вес m_b и высоту h подъема стержня одинаков во всех трех случаях (m_b и h – констант), а стержень мы будем поднимать во всех трех случаях только от крайней точке (1) противоположной точке опоры (обязательное условие).

Согласно эксперименту имеем: A₁ = A₃ = A₅ где: A₁ = W₁ + ε₁

A₃ = W₃ + ε₃

A₅ = W₅ + ε₅

W₁, W₃ şi W₅ – затрачиваемая энергия при поднятие стержня во всех трех вариантах (рис. 5, 6, 7). И: ε₁, ε₃, şi ε₅ – потери энергии на поднятие стержня (в подшипниках и на сопротивлении воздуха). Где: ε₁ = ε₃ = ε₅

Мы получили: A₂, A₄ şi A₆ – выполненная работу при деформации алюминиевой пластины во всех трех случаях. После падения стержня, согласно эксперименту, выполненная работа при деформации алюминиевой пластины в каждом случае было другая: A₂≠ A₄≠ A₆.

Следовательно, мы находим, что и энергия W₂, W₄, şi W₆ необходимая для деформации алюминиевой пластины во всех трех случаях отличается: W₂ ≠ W₄ ≠ W₆.

Сравнивая работу при деформации алюминиевой пластины во всех трех случае, мы имеем: A₂ < A₄ < A₆ или W₂ < W₄ < W₆

Где: : A₂ = W₂ + ε₂ + ε^'₂ A₄ = W₄ + ε₄ + ε^'₄ A₆ = W₆ + ε₆ + ε^'₆

ε₂, ε₄ şi ε₆ – потери энергии при падение стержня (в подшипниках и на сопротивлении воздуха).

ε^'₂, ε^'₄ şi ε^'₆ – потери энергии при деформации алюминиевой пластины.

Согласно экспериментом, мы видим, что на поднятие стержня во всех трех вариантах была выполнена одна и та же работа: A₁ = A₃ = A₅ или W₁ = W₃ = W₅

А при падении стержня выполненная работа при деформации алюминиевой пластины в каждом случае было разная: A₂ < A₄ < A₆ или W₂ < W₄ < W₆

При тщательном анализе этого эксперимента мы видим, что современная наука ведет нас в заблуждение, утверждая, что закон сохранения энергии: „. Он соблюдается абсолютно: не известно ни один случай, когда он не соблюдался” pag. 63[10]. В этом эксперименте мы имеем закрытую, изолированную систему, в котором одно и тоже тело перемещается на равное расстояние, но при этом позволяет получить различные энергии, что противоречит закону сохранения и превращения энергии

Согласно эксперименту, мы имели: A₁ = A₃ = A₅ или W₁ = W₃ = W₅

мы получили: A₂ < A₄ < A₆ или W₂ < W₄ < W₆

Подчеркиваю, что:

I вариант – W₁ + ε₁ > W₂ + ε₂ + ε^'₂ закон сохранения энергии не соблюдается (исчезает часть энергии, fig. 5)

II вариант – W₃ + ε₃ = W₄ + ε₄ + ε^'₄ закон сохранения энергии соблюдается (fig. 6)

III вариант – W₅ + ε₅ < W₆ + ε₆ + ε^'₆ закон сохранения энергии не соблюдается (появляется избыток энергии, fig.7).

Аргументирую:

в первом варианте работа A₂ было выполнено от → = 1,5 kgf (точка 1, рис. 5)

во втором варианте работа A₄ было выполнено от → m_b = 3 kgf (точка 2, рис. 6)

и в третьем варианте работа A₆ было выполнено от → 1,33m_b = 4 kgf (точка 3, fig. 7)

где: m_b – вес стержня (kgf).

Тщательный научный анализ говорит нам, что именно этот лишний вес (1,33m_b=4kgf) приводит к большей работы. Хотя бы, что стержень с массой 3 kg остается постоянным во всех трех случаях. Я должен обратить внимания, что виртуальный излишки веса достигается за счет опоры (точка 3, рис. 7).

Для проверки этой теории мы будем проводить дополнительный эксперимент, в котором будем использовать аналогические тяжести как в предыдущем эксперименте:

m₁ = 1,5 kg, m₂ = 3 kg, m₃ = 4 kg.

Мы все знаем термин «центр масс». В предыдущем эксперименте мы использовали тело с массой 3 kg в форме стержня и длиной 0,52 m. Следовательно, центр массы стержня находится на расстоянии 0,26 m, поэтому мы будем поднимать тела с массой 1,5 kg, 3 kg и 4 kg на высоту 0,26 m (см. рис. 8, рис. 9 и рис. 10).

Рис. 8 Рис. 9 Рис. 10

Поднимаем тело m₁=1,5 kg на высоту h₁=0,26 m (рис. 8). Мы выполнили работу A₇ (рис. 8). Отпускаем тело m₁ чтобы выполнило работу A₈ на деформацию алюминиевой пластины (рис. 8).

Затем поднимаем тело m₂=3 kg на высоту h₂=0,26 m (рис. 9). В этом случае мы выполним работу A₉ (рис. 9). Отпускаем и эта тело m₂, чтобы выполнило работу A₁₀ на деформацию такой же алюминиевой пластины (рис. 9).

Поднимаем и тело m₃=4 kg на высоту h₃=0,26 m (рис. 10). В этом случае мы выполним работу A₁₁ (рис. 10). Отпускаем и эта тело m₃, чтобы выполнило работу A₁₂ на деформацию такой же алюминиевой пластины (рис. 10).

Тщательно проанализируем и этот эксперимент.

Согласно экспериментам, мы имеем:

1. A₇ < A₉< A₁₁ и W₇ < W₉ < W₁₁ (рис. 8, рис. 9 и рис. 10)

W₇, W₉ şi W₁₁ – энергия затраченной на поднятия тел (1,5 kg, 3 kg и 4 kg).

W₇ = m₁gh₁ = 1,5 · 9,81 · 0,26 = 3,8259 J,

W₉ = m₂gh₂ = 3 · 9,81 · 0,26 = 7,6518 J,

W₁₁ = m₃gh₃ = 4 · 9,81 · 0,26 = 10,2024 J,

2. A₈ < A₁₀< A₁₂ и W₈ < W₁₀ < W₁₂ (рис. 8, рис. 9 и рис. 10)

W₈, W₁₀ şi W₁₂ – энергия затраченной на деформации алюминиевых пластин.

W₈ < W₁₀ < W₁₂ потому что m₁ < m₂ < m₃ и h₁ = h₂ = h₃

Сравним объем работы проделанный в предыдущем эксперименте (рис. 5, рис. 6 и рис. 7) с объем работы проделанный в этом эксперименте (рис. 8, рис. 9 и рис. 10).

В действительности, прямыми измерениями, получаем: A₂ = A₈ (рис. 5 и рис. 8)

A₄ = A₁₀ (рис. 6 и рис. 9)

A₆ = A₁₂ (рис. 7 и рис. 10)

Согласно экспериментом, мы имеем: A₆ = A₁₂ следовательно и W₆ = W₁₂

W₆ и W₁₂ – необходимая энергия для выполнения работы на деформации алюминиевых пластин.

Я хочу обратить внимание, что работа A₆ была выполнена тело с массой 3 kg, которая имеет форму стержня длиной 0,52 m с центром массы на расстоянии 0,26 m, т.е. мы подняли её на высоту 0,26 m (рис. 7), а работа A₁₂ была выполнена телом с массой 4 kg поднята тоже на высоту 0,26 m (рис. 10).

Эти эксперименты демонстрирует нам, что мы подняли тело с массой 3 kg на высоту 0,26 m (рис. 7), а при падении получили больше работу, получили работу эквивалентной, которая делает тело с массой 4 kg (рис. 10) поднято на ту же высоту – что и хотелось доказать.

На основании демонстрированных экспериментов мы видим, что от того же тело m_b (рисунки 2, 4, 5, 6 и 7), которая падает от высоту h постоянная (констант), получаем разные величины проделанной работе (A₂ < A₄ < A₆) т.е. разные величины энергии (W₂ < W₄ < W₆) – в соответствии с новым формулированным законом.

Эти эксперименты демонстрирует, что энергия не сохраняется, следовательно, энергия не является материи. Энергия это физическая величина, которая характеризует работу. Другими словами, энергия есть мера движения материи. В соответствии с этими экспериментами твердо заявляю, что закон сохранения энергии является ложным. Поэтому закон сохранения и превращения энергии не может быть препятствием для многообещающего проекта, вечного двигателя (открыл тайну спасающего механизма).

Лично я считаю, что только материя может сохраняться, т.е. не может варьировать (не исчезает без следа и не появляется из ничего). Во всей программе физики не найдется формулировка закона сохранения и превращения материи, поэтому считаю, что необходимо формулировать его, а именно: создать материю (вещество) из ничего невозможно, а также она не может исчезнуть без следа, только в последствие какого-то процесса она переходит из одного агрегатного состояния в другое сохранившееся количественно.

Я считаю, что этот закон есть основа учения физики. Во Вселенной нет ничего, кроме материи (с условием не путать состояние агрегации материи). Ведь, физика занимается изучением всех форм движения и превращение материи, в том числе и всех агрегатных состояниях.

На сегодняшний день (2013) известны только четыре состояния материи. Я считаю, что в природе существует на много больше состояние материи, чем эти четыре известны. Я предполагаю девять или двенадцать агрегатных состояний, вернее будет группы – я считаю, что материю надо классифицировать по группам – потому что в одной группе могут быть множество схожих веществ. Неопровержимое доказательство, следующее определение: „Форма существования материи, которая проявляется через действие на магнитную стрелку, называется магнитное поле” стр. 87[11]. Или: „Как и другие виды известных полей – гравитационное, электрическое и магнитное поле – электромагнитное поле является одной из форм существования материи, которой проявляются своим действием над телами” стр. 104[12]. С уверенностью заявляю, что в этой главе необходимо сделать некоторые исправления и дополнения.

[1] I. K. Kikoin, A. K. Kikoin, FIZICA, Manual pentru clasa 9 a şcolii medii, Chişinău “Lumina” 1991.

[2] G. I. Miakişev, B. B. Buhovţev, FIZICA, Manual pentru clasa a X-a a şcolii medii, Ediţia a II-a, “Lumina” Chişinău – 1995.

[3] Ion Gabarev, LIMITA POSIBILULUI ?... , Studiu ştiinţific, Tipografia Centrală, Chişinău, 2006.

[4] Ion Gabarev, FIZICA COMPLEXĂ, Studiu ştiinţific, Tipografia Centrală, Chişinău, 2007.

[5] I. Botgros, V. Bocancea, N. Constantinov, FIZICĂ, Manual pentru clasa a VII-a.

[6] I. K. Kikoin, A. K. Kikoin, FIZICA, Manual pentru clasa 9 a şcolii medii, Chişinău “Lumina” 1991.

[7] А. Сибирский, Лукрэрь де лаборатор ла физикэ, пентру класа 8, Курс факултатив, Кишинэу “Лумина” 1979.

[8] Н.Н. Ефграфова, В.Л. Каган, Курс физики, Москва “Высшая школа” 1984.

[9] Н.Н. Ефграфова, В.Л. Каган, Курс физики, Москва “Высшая школа” 1984.

[10] G. I. Miakişev, B. B. Buhovţev, FIZICA, Manual pentru clasa a X-a a şcolii medii, Ediţia a II-a, “Lumina” Chişinău – 1995.

[11] I. Botgros, V. Bocancea, N. Constantinov, FIZICĂ, Manual pentru clasa a VIII-a – Ed. 1. Cartier, 2003, Ministerul Educaţiei al Republicii Moldova.

[12] Tatiana Iacubiţchi, Anatol Sîrghi, FIZICĂ, Manual pentru clasa a IX-a, Litera, 2003, Ministerul Educaţiei al Republicii Moldova.

Основные законы термодинамики.

Введем в рассмотрение понятие внутренней энергии и установим отличие ее от теплоты. Тепловой или внутреннейэнергией называется полная сумма всех видов энергии всех молекул, принадлежащих телу. Сюда входит кинетическая энергия движения самих молекул, кинетическая энергия атомов внутри молекул, потенциальная энергия взаимодействия между атомами внутри молекулы, а также энергия элементарных частиц, составляющих ядро атома. С другой стороны, теплота – это количество энергии, которое передается от одного тела к другому при непосредственном контакте (или через третье тело) либо излучением.

Для вычисления внутренней энергии более сложных газов (2-х, 3-х атомных, а также многоатомных) необходимо учитывать энергии вращательного и колебательного движения молекул. Для этого введем понятие числа степеней свободы, под которым понимается число независимых параметров (координат), описывающих положение и конфигурацию системы в пространстве.

В общем, виде система, состоящая из N частиц имеет 3N степеней свободы. Каждая жесткая связь между частицами уменьшает число степеней свободы на единицу, каждая упругая связь не изменяет числа степеней свободы системы. Тогда в простейших ситуациях полагаем, что молекула одноатомного газа имеет 3 степени свободы, 2-х атомного (с жесткой связью между атомами) - 5 степеней свободы, 3-х и многоатомного (с жесткой связью) – 6 степеней свободы..

Важным положением молекулярно-кинетической теории является принцип равнораспределения энергии по степеням свободы. Этот принцип гласит, что энергия распределяется поровну между активными степенями свободы и каждая отдельная активная степень свободы обладает в среднем энергией (1/2)kT. Таким образом, средняя энергия одной молекулы некоторого газа определяется уравнением:

Вычислим внутреннюю энергию n молей идеального газа:

таким образом, внутренняя энергия идеального газа определяется только температурой и количеством вещества.

В природе существует два способа изменения внутренней энергии системы:

- теплопередача (совершение микроскопической работы),

- совершение макроскопической работы.

Теплопередача может осуществляться тремя способами:

- теплопроводностью (молекулярный перенос теплоты),

- конвекцией (молярный перенос теплоты),

-излучением (перенос энергии электромагнитными волнами).

Работа по изменению объема в термодинамике в общем, виде определяется следующей зависимостью:

dA= рdV,

тогда работа в изопроцессах определяется следующими формулами:

- в изобарном процессе (р=const)

A=p(V₂-V₁),

где V₁, V₂ – объемы газа, соответственно начальный и конечный;

- в изотермическом процессе (T=const)

- в изохорном процессе (V=const)

А=0 .

Расчет количества теплоты, переданного от одного тела к другому, зависит от процесса теплопередачи. В процессах нагревания (охлаждения) тел теплопередача сопровождается изменением температуры, в этом случае количество переданной теплоты определяется по формуле:

dQ=СdT,

где С – теплоемкость тела, Дж/кг.

Теплоемкостью тела С называется отношение бесконечно малого количества теплоты dQ, полученного телом, к соответствующему приращению dT его температуры:

С=dQ/dT.

Теплоемкость, относящаяся к единице массы тела, называется удельной (с), относящаяся к единице количества вещества – молярной (с_m). Между ними устанавливается связь:

с_m = с m .

Особое значение имеют теплоемкости газов при постоянном объеме и постоянном давлении. Удельные теплоемкости при постоянном объеме и давлении соответственно равны:

Молярные теплоемкости при постоянном объеме и давлении соответственно равны:

соотношение между ними определяется уравнением Майера:

При изменении агрегатного состояния вещества теплопередача не сопровождается изменением температуры тела, тогда количество теплоты определяется по следующим зависимостям:

- в процессах плавления (кристаллизации)

Q = ±lm ,

где l- удельная теплота плавления (кристаллизации), Дж/кг;

- в процессах парообразования (конденсации)

Q = ± rm ,

где r – удельная теплота парообразования (конденсации), Дж/кг.

Адиабатный процесс.

Под адиабатным понимается процесс, происходящий при отсутствии теплообмена с окружающими телами (dQ = 0). Он может осуществляться как в теплоизолированных системах, так и при быстром прохождении процесса. Соотношения между параметрами состояния газа при адиабатном процессе определяются уравнениями Пуассона, которые в координатах P, V, T записываются в следующем виде:

где g - показатель адиабаты, равный

показатель адиабаты зависит от числа степеней свободы молекулы рассматриваемого газа:

Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики можно рассматривать как приложение закона сохранения энергии к термодинамическим процессам. Оно утверждает, что теплота Q , полученная системой идет на приращение ее внутренней энергии DU=U₂-U₁ и на производство работы системой против внешних сил:

Q=U₂-U₁+A ,

в дифференциальной форме:

¶Q=dU+¶A .

В приложении к изопроцессам первое начало термодинамики принимает следующий вид:

- изотермический процесс (T=const): Q=A ;

- изохорический процесс (V=const): Q=DU ;

- изобарический процесс (P=const): Q=DU+A ;

- адиабатный процесс (Q=0): 0=DU+A .

 

 

Второе начало термодинамики.

 

Первое начало термодинамики не дает никаких указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе, причем, основываясь только на этом положении применительно к изолированной системе, невозможно выяснить, будут ли вообще происходить какие-либо процессы или нет.

Второе начало термодинамики, наоборот, позволяет судить о направлении процессов, которые могут происходить в действительности. Основоположником второго начала термодинамики считается французский инженер и физик Сади Карно, в своих работах он исследовал условия превращения теплоты в работу. Им была предложена идеализированная модель тепловой машины, которая рассматривала эти условия в самом общем виде.

Эффективность работы тепловой машины определяется ее КПД:

где Q₁- теплота, полученная от нагревателя (источника энергии); A – работа, совершаемая рабочим телом; Q₂ – теплота, отдаваемая охладителю.

Придерживаясь исторической последовательности, приведем формулировку Карно для второго начала термодинамики: Максимальный КПД тепловой машины зависит только от температур T₁ и T₂ нагревателя и холодильника, но не зависит от устройства машины, а также от вида используемого рабочего вещества.

Тепловая машина может иметь максимальный КПД только в том случае, если она работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

КПД цикла Карно определяется по формуле:

Тогда, в соответствии с теоремой Карно можно записать:

В координатах P-V цикл Карно имеет вид ( рис. 2):

 

4 2

 

 

В наиболее простом виде второе начало термодинамики определяется Р. Клаузиусом: Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому.

Все приведенные формулировки имеют частный характер, для общего определения второго начала термодинамики необходимо ввести понятие энтропии, которое имеет фундаментальное значение в физике.

Энтропия системы есть функция ее состояния, определенная с точностью до произвольной постоянной, и численно равная:

Величина dQ/T получила названия приведенного количества теплоты. Как видно из данной зависимости для адиабатически изолированных систем (dQ=0) dS=0 т.е.

S = const.

Таким образом, адиабатный процесс можно считать изоэнтропийным.

Вероятностный характер энтропии определяется выражением, введенным Больцманом:

S = kLnW,

где k - постоянная Больцмана; W – термодинамическая вероятность нахождения системы в том или ином состоянии.

Все термодинамические процессы можно подразделить на обратимые и необратимые. Обратимым процессом называется такое изменение состояния системы, которое, будучи проведено в обратном направлении, возвращает ее в исходное состояние, так чтобы система прошла через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе, а состояние тел вне системы осталось неизменным. Процессы, не удовлетворяющие данному условию, называются необратимыми.

Наиболее важной особенностью энтропии является ее поведение при необратимых процессах. Как показывают опыт и теория, в этих процессах в замкнутых системах энтропия всегда возрастает, и это свойство также присуще энтропии, как энергии свойственно сохраняться в этих же процессах. Рост энтропии в любом процессе продолжается не беспредельно, а лишь до определенного максимального значения, соответствующего состоянию равновесия, после чего все изменения состояния системы без внешнего воздействия невозможны. Данное положение можно рассматривать как общую формулировку второго начала термодинамики.

Третье начало термодинамики (тепловая теорема Нернста) имеет следующий вид:

т.е. при стремлении абсолютной температуры к нулю энтропия любого тела также стремится к нулю.

 

Явления переноса.

 

В молекулярно-кинетической теории выделяют три явления переноса:

- перенос массы – диффузия;

- перенос импульса – внутреннее трение;

- перенос энергии – теплопроводность.

Все явления описываются эмпирическими законами (для одномерного случая):

- диффузия – законом Фика:

где M – масса диффундирующей компоненты, переносимой через площадь DS за время Dt; n – концентрация компоненты; ¶n/¶x – градиент концентрации компоненты; m₀ – масса молекулы; D – коэффициент диффузии, для газов, определяемый уравнением:

где <l> - cредняя длина свободного пробега, расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными столкновениями; <v>- средняя арифметическая скорость молекул:

где d - эффективный диаметр молекулы; n – концентрация молекул;

 

- внутреннее трение (вязкость) – законом Ньютона:

где h- динамический коэффициент вязкости, определяемый по формуле:

где r - плотность газа;DS – площадь элемента поверхности взаимодействия слоев; ¶v/¶x – градиент (поперечный) скорости течения слоев жидкости или газа;

Распределение скорости потока по сечению канала показано на рис.3, направление градиента скорости и потока импульса по сечению канала на рис. 4.

 

- теплопроводность – законом Фурье:

где DS –поверхность, через которую переносится теплота DQ за время Dt; l - коэффициент теплопроводности, определяемый по формуле (для газов):

где ¶T/¶x – градиент температуры (направление потока теплоты совпадает с направлением падения температуры чтобы уменьшить существующий градиент температуры, рис. 5); с_v – удельная теплоемкость при постоянном объеме; r -плотность газа .

 

 

	T2>T1

 

Газ Ван-дер-Ваальса.

 

Уравнением Клапейрона-Менделеева является пригодным только для расчетов состояния только идеального газа. Усовершенствованным уравнением состояния газа можно считать уравнение Ван-дер-Ваальса,которое учитывает конечные размеры молекул и силы взаимодействия между ними ( изотермы идеального(1) и реального (2) газов показаны на рис.6). Сразу необходимо отметить, что и оно является приближенным, т.к. не существует способа точного вычисления сил взаимодействия между молекулами.

Уравнение Ван-дер-Ваальса имеет следующий вид:

- для одного моля газа

- для произвольного количества вещества

где, а/V² – поправочный член, учитывающий притяжение между молекулами; b – поправка, учитывающая размеры молекул и в неявном виде силы отталкивания между ними.

Анализ уравнения Ван-дер-Ваальса позволяет установить связь между параметрами критического состояния: объемом, давлением и температурой. Критическим называется состояние, при котором не существует механической разницы между жидким и газообразным состоянием вещества (на рис.6. – точка К). Связь между критическими параметрами, с учетом поправок а и b Ван-дер-Ваальса имеет следующий вид:

- критический обьем одного моля газа V_кр=3b;

- критическое давление р_кр= а/(27b²);

- критическая температура T_кр= 8а/(27Rb).

 

 

 

 

 

 

 

Поверхностное натяжение. Капиллярные явления.

 

Поверхность жидкости, взаимодействующей с другой средой, например с собственным паром или с твердым телом,находится в особых условиях.

Эти условия возникают вследствие того, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул, находящихся внутри ее, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон. Частично они взаимодействуют с молекулами второй среды, с которой эта жидкость соприкасается. Вторая среда может отличаться своей природой, а также плотностью частиц. Это приводит к возникновению различных взаимодействий молекул в пограничном слое, а значит к их неуравновешенному состоянию. Динамическое положение молекулы внутри жидкости и в пограничном слое показано на рис.7. При этом возникает равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону второй среды. Иными словами в пограничном слое возникает "пленка".

 

 

Перемещение молекул из поверхностного слоя в глубь жидкости сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы находятся в равновесии и их перемещение не требует затрат энергии извне). Ясно, что молекулы поверхностного слоя имеют избыточную потенциальную энергию, значение которой зависит от площади поверхности жидкости. Тогда любое изменение площади поверхности dS сопровождается изменением потенциальной энергии dU и совершением работы dA:

dA = -dU= -sdS .

В качестве коэффициента пропорциональности в приведенном выражении рассматриваается параметр, получивший название коэффициента поверхностного натяжения s.

Сила поверхностного натяжения является касательной к поверхности пленки, действует перпендикулярно к тому отрезку, в точках которого она приложена и пропорциональна длине линии, ограничивающей поверхность жидкости:

F = sl .

C учетом данного выражения коэффициент поверхностного натяжения может определяется выражением

s =dF/dl

Молекулы пограничного слоя имеют избыточное значение потенциальной энергии, поэтому их число стремится к некоторому минимальному значению. Отсюда, при отсутствии внешних силовых полей, капля любой жидкости принимает форму шара, фигуры, объем которой имеет минимальную площадь поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от физической природы контактирующих сред их состояния.

Существование поверхностного натяжения приводит к искривлению поверхности жидкости в области взаимодействия различных сред, что приводит к возникновению в этой области избыточного давления (давления Лапласа). Это давление принято считать положительным под выпуклой поверхностью и отрицательным под вогнутой поверхностью. В общем случае давление Лапласа определяется следующим уравнением:

где R₁ и R₂ - радиусы кривизны поверхности во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Особый интерес представляют явления, получившие название капиллярных. При опускании капиллярной трубки в жидкость наблюдается поднятие или опускание жидкости в ней, в зависимости от выпуклости или вогнутости мениска. Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре ( рис.8) определяется следующим уравнением:

где r - радиус капилляра; r - плотность жидкости; q - краевой угол.

Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках, но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они будут расположены.

 

 

Рис.8.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1.Определить: 1) число N молекул воды, занимающей при температуре t=4 °С объем V=1мм³; 2) массу m₀ молекулы воды; 3) диаметр d молекулы воды, считая, что молекулы имеют форму шариков, соприкасающихся друг с другом.

Решение.1. Число N молекул, содержащихся в теле неко­торой массы m, равно произведению постоянной Авогадро N_А на количество вещества n:

N= N_А×n.

Так как n=m/m, где m— моляр­ная масса, то

N=(m/m) N_А.

Выразив в этой формуле массу как про­изведение плотности r на объем V, получим

N=(rV/m) N_А (1).

Все величины, кроме молярной массы воды, входящие в (1), известны: r=1000кг/м³, N_А=6,02×10²³ моль^-1.

Подставим значения величин в (1) и произведем вычисления;

N = [1×10³×1× 10^-9/18×10^-3)] 6,02×10²³ молекул = 3,34×10¹⁹ молекул.

 

2. Массу одной молекулы воды найдем по формуле:

m₀=m/ N_А

Произведя вычисления по этой формуле, получим

m₀=18×10^-3/(6,02×10²³) = 2,99×10^-26, кг.

3. Будем считать, что молекулы плотно прилегают друг к другу, тогда на каждую молекулу диаметром d приходится объем (куби­ческая ячейка) V₀=d³. Отсюда

.

Объем V₀ найдем, разделив молярный объем V_m вещества на число молекул в моле, т. е. на постоянную Авогадро. Молярный объем равен отношению молярной массы к плот­ности вещества, т. е. V_m=m/r. Поэтому можем записать, что

V₀=_m=m/(N_А×r).

Подставив полученное выражение V₀ в формулу (1), получим

Теперь подставим значения величин в полученную формулу и произведем вычисления:

d=3,l1×10¹⁰ м = 311 пм.

Пример 2. В баллоне объемом V=10 л находится гелий под давле­нием p₁ = l МПа при температуре T₁ = 300 К. После того как из баллона был израсходован гелий массой m=10 г, температура в баллоне понизилась до Т₂ = 290 К. Определить давление р₂ гелия, оставшегося в баллоне.

Решение. Для решения задачи воспользуемся уравнением Клапейрона - Менделеева, применив его дважды к начальному и конечному состояниям газа. Для начального состояния уравнение имеет вид

P₁V=(m₁/m)RT₁ (1)

а для конечного состояния –

P₂V=(m₂ /m)RT₂ (2)

где m₁ и m₂ - массы гелия в начальном и конечном состояниях.

Выразим массы m₁ и m₂ гелия из уравнений (1) и (2):

m₁= P₁V m / RT₁ (3)

m₂= P₂V m / RT₂ (4)

Вычитая из (3) равенство (4), получим

m = m₁ – m₂ = (V m / R)( P₁/ T₁ – P₂/ T₂)

Отсюда найдем искомое давление:

 

Пример 3. Какая часть молекул кислорода при 0⁰С обладает скоростью от 100м/c до 110 м/с?

Решение. Воспользуемся распределением молекул по относительным скоростям.

,

где u- относительная скорость. В нашем случае v=100 м/с и Dv=10 м/с. Наиболее вероятная скорость

.

Следовательно, u= v/v_в=100/376, u²=0,071, exp(-u²)= 0,93. Тогда,

Т.о., число молекул, скорости которых находятся в заданном интервале, составляют 4% от общего числа молекул.

 

Пример 4. Частицы гуммигута диаметром 0,3×10^-4см были взвешены в жидкости, плотность которой на 0,2 г/см³ меньше плотности частиц. Температура гуммигута 20⁰С. Найти по этим данным значение числа Авогадро, если в двух соседних слоях, расстояние между которыми 100 мкм, число частиц различается в два раза.

Решение. Проведем расчеты по формуле Больцмана.

тогда концентрация молекул на высоте h₁ определяется как

на высоте h₂

Отсюда, отношение концентраций определяется следующей зависимостью,

или

Т.к. масса частицы определяется выражением m₀ = m/N_A, то можно записать:

Из этого выражения, учитывая поправку на силу Архимеда, получим

Где r и r^, - соответственно плотность гуммигута и жидкости.

Пример 5. Вычислить удельные теплоемкости С_v и C_p смеси неона и водорода. Массовые доли газов соответственно равны w₁=0,8 и w₂=0,2.

Решение. Удельную теплоемкость смеси при постоянном объеме С_V найдем из следующих рассуждений. Теплоту, необходи­мую для нагревания смеси на DT, выразим двумя соотношениями:

Q = c_V(m₁ +m₂) DT(1)

где c_V — удельная теплоемкость смеси m₁ — масса неона; m₂ — масса водорода, и

Q =( c_V1m₁ +c_V2m₂) DT (2)

где c_V1 и c_V2 — удельные теплоемкости неона и водорода соответственно.

Приравняв правые части выражений (1) и (2) и разделив обе части полученного равенства на DT, найдем

c_V (T₁ + T₂) = c_V1m₁ + c_V2m₂

откуда

Отношения w=m₁/(m₁+m₂) и w=m₂/(m₁+m₂) выражают массовые доли соответственно неона и водорода. С учетом этих обозначений последняя формула примет вид

c_v=c_v1w₁+c_v1w₁.