Физический смысл адиабатного процесса (Часть 2 - Температура)

Продолжение статьи, начало которой здесь:  http://gidepark.ru/community/191/content/1359586

 

Часть 2. Теоретическое объяснение изменения температуры

при адиабатном процессе.

 

Электромагнитная теория теплоты (ЭТТ) говорит о том, что все материальные тела, и твёрдые, и жидкие, и газообразные, постоянно излучают тепловую энергию в виде квантов электромагнитного излучения. Мощность этого излучения зависит от температуры данного материального тела. Очевидно, что наиболее «энергонаполненными», то есть обладающими наибольшей потенциальной энергией излучения являются газообразные молекулы. Для идеального газа ЭТТ мощность теплового потока прямо пропорциональна его температуре.

Часть электромагнитного излучения газообразных молекул мы видим в виде света, как, например, излучение Солнца, пламя костра, голубое свечение атмосферы Земли. Часть теплового электромагнитного излучения в инфракрасном и нижнем инфракрасном диапазонах недоступно нашему зрению, зато доступно тепловизорам и приборам ночного видения. Но все молекулы, входящие в состав материальных тел, постоянно обмениваются тепловой энергией. Каждая молекула имеет свою собственную температуру, которая характеризует потенциальную мощность электромагнитного излучения этой молекулы. Если молекула испустила квант тепловой энергии, она «остыла», захватили – «нагрелась».

На практике же определить температуру каждой отдельно взятой молекулы в конкретный момент времени невозможно. Поэтому тут на помощь должна придти статистическая физика с предположением, что температура группы молекул идеального газа соответствует закону нормального распределения (распределению Гаусса), а мы для обоснования тех или иных закономерностей должны воспользоваться понятием «средняя температура молекул».

Полагаю, что 99,99% людей, мало-мальски знакомых с физикой не хуже уровня средней школы, на вопрос, что происходит с газом при его сжатии, ответят – «он нагревается». Это очевидно.

Но на самом деле, температура каждой отдельно взятой газовой молекулы, т.е. потенциально возможная мощность электромагнитного излучения молекулы остаётся прежней. Самое интересное, что мощность излучения всего количества газа при его адиабатном сжатии или адиабатном расширении остаётся прежней. Как же так, спросите Вы, ведь совершенно очевидно, что температура газа повышается? Термометр не врёт. Всё верно. Дело в том, что при сжатии газа увеличивается мощность его электромагнитного теплового излучения на единицу площади. Увеличивается, так сказать, «плотность», «насыщенность» потока излучения. И происходит это исключительно за счёт уплотнения газовых молекул, а вовсе не из-за того, что «над газом совершили положительную работу по сжатию».

См. рис. 6. Слева на рисунке обозначена твердотельная стенка цилиндра, атомы которой выстроены в кристаллическую решётку, а справа – газ, молекулы которого отталкиваются друг от друга своими полями. Предположим, что газ и стенка находятся в состоянии термодинамического равновесия, то есть температура стенки и температура газа равны.

Условно разобьём и стенку и газ на слои. Толщина слоя для стенки и для газа – различна, это могут быть тысячи, миллионы или миллиарды молекул. Толщина слоя характеризуется тем, что треть всей мощности теплового электромагнитного излучения данного слоя уходит в слой справа, треть – в слой слева, треть – передаётся атомам и молекулам этого же самого слоя. По всей видимости, толщина слоя находится в прямой пропорциональной зависимости от величины теплопроводности материального тела. Газообразные молекулы излучают тепловые кванты в любом направлении. На рис. 6 кванты теплового излучения показаны волнообразной стрелками, разумеется, частота и мощность квантов могут быть различны. В кристаллах же, как показывает опыт, теплопроводность в разных направлениях кристаллической решётки может существенно отличаться.

 

 

Рис. 6. Обмен потоками электромагнитного излучения (тепловой энергией) между слоями молекул в твердом теле (стенке цилиндра) и слоями газообразных молекул.

 

Очевидно, что при термодинамическом равновесии температура всех слоев – и газовых (Г1…Гn), и твердотельных («металлических» – М1…Мn) одинакова ТМn = … = TМ3 = ТМ2 = ТМ1 = TГ1 = TГ1 = TГ1 = … = TГn. Соответственно, поток электромагнитного излучения (мощность тепловых потоков) того или иного слоя в одном и обратном направлениях тоже равны: QМn-M(n+1) = QМ(n+1)-Mn= … = QМ3-M2 = QМ2-M3 = QМ2-M1 = QМ1-M2 = QМ1-Г1 = QГ1-M1 = QГ1-Г2 = QГ2-Г1 = … = QГ(n+1)-Гn = QГn-Г(n+1).

Равны и мощности этих тепловых потоков на единицу площади.

Что же происходит при сжатии газа. Согласно ЭТТ средняя температура газовых молекул осталась прежней, т.е. каждый моль (или другое количество) молекул продолжил испускать то же самое количество теплового электромагнитного излучения. Но!!! Плотность потока, мощность теплового потока на единицу площади, вследствие уплотнения молекул (см. рис. 5) – увеличилась.

 

 

(Рис.5 из первой части статьи:  http://gidepark.ru/community/191/content/1359586)

 

Количество газовых молекул, излучающих тепло на единицу площади стенки цилиндра увеличилось в (куб. корень из n^2) раз. Соответственно, во столько раз увеличилась и видимая температура газа. Именно поэтому поток тепловой энергии со стороны газа на стенку цилиндра превышает обратный поток, что и приводит к НАГРЕВАНИЮ стенки цилиндра (см. рис. 7). Точно так же нагревается стеклянная колба и подкрашенная жидкость термометра, корпус и платиновый элемент температурного датчика, на основании которых мы судим о «нагревании» газа.

 

 

Рис. 7. Обмен потоками электромагнитного излучения между слоями молекул в твердом теле и слоями газообразных молекул при нарушении термодинамического равновесия.

 

Разумеется, процесс теплообмена будет идти до тех пор, пока температура всех слоёв материальных тел не уравновесится, т.е. до тех пор, пока тепловые потоки между всеми слоями не станут равны.

Очевидно, что степень увеличения мощности тепловых потоков между слоями (видимой температуры газообразного тела) равна степени уплотнения газовых молекул:

T = const (куб.корень из V)^2 = const V^(- 2/3)

Следует отметить, что в вопросе характера изменения температуры газообразного материального тела при адиабатном процессе ЭТТ пришла к тому же соотношению, что и МКТ для одноатомных газов. При k = 5/3, соответственно

T = const / V^(k-1)= const V^(1-k)= const V^(- 2/3).