Теоретическое объяснение изменения давления при адиабатном процессе

Согласно разрабатываемой мной на протяжении последних 5 лет электромагнитной теории теплоты (ЭТТ, ранее я называл её квантовой, КТТ, 1)), никакого хаотичного теплового движения молекул, как это представляет «классическая» молекулярно-кинетическая теория газов (МКТ), не существует. Разумеется, как я уже отмечал ранее, газовые молекулы перемещаются в пространстве, но их перемещение носит не хаотичный, а строго закономерный характер, определяемый основными физическими законами — законами Ньютона.

Согласно ЭТТ, соседние газовые молекулы не мечутся хаотично в пространстве, периодически сталкиваясь, непостижимым образом обмениваясь при этом теплотой, а оказывают давление друг на друга своими электрическими и магнитными полями, напряженность которых зависит от температуры молекулы. Таким образом, можно считать, что газовые молекулы занимают в пространстве некий объём, границы которого определяют главную эквипотенциальную поверхность всех полей, индуцируемых той или иной молекулой.

Два века назад опытным путём было установлено, что при одинаковых давлении и температуре, в равных объёмах газа содержится одинаковое число газовых молекул (1811 год, закон Авогадро). Отсюда следует, что при одинаковых условиях даже различные по химическому составу и массе газовые молекулы занимают в пространстве одинаковый объём.

Такое видение позволяет легко объяснить атмосферное давление и характер его изменения по высоте, а также возникновение в атмосфере Земли, где газовые молекулы имеют вес (вследствие действия силы всемирного притяжения), силы Архимеда, заставляющей более лёгкие и более «горячие» молекулы подниматься вверх. Как известно, на космических кораблях, в условиях невесомости закон Архимеда не действует. МКТ в своей расчётной схеме хаотического движения молекул силу всемирного притяжения вообще никак не учитывает и внятно объяснить, почему более быстрые молекулы поднимаются вверх, не в состоянии. Р. Фейнман, Р. Лейтон и М. Сэндз, например, утверждают, цитирую: «любая пара молекул будет двигаться в произвольно выбранном направлении столь же охотно, как и в любом другом» 3). Почему же более лёгкие газы поднимаются вверх?

Согласно ЭТТ, агрегатное состояние вещества определяется текущим распределением электронов атомов, входящих в состав молекулы, по энергетическим уровням («оболочкам»). Существует три основных электронных уровня — газообразующий, гидрогенный («жидкостной») и кристаллообразующий. Газовые молекулы имеют общее молекулярное ядро, состоящее из одного или нескольких атомов, объединенных общей газообразующей «оболочкой» в которой не может находиться более двух электронов.

Молекула реального газа гелия (He), лучше всех других подходящего на роль «идеального» газа, представлена на рис. 1. Она имеет одноатомное молекулярное ядро, в состав которого входит два протона и два нейтрона, и два электрона, которые при нормальных условиях располагаются на газообразующем уровне — вращаясь по замысловатым траекториям вокруг молекулярного ядра, они создают вокруг него так называемое «электронное облако» идеальной сферической формы.

Рис. 5 Газообразная молекула He (гелия) согласно электромагнитной теории теплоты

Это «электронное облако» индуцирует электрическое и магнитное поля, которые, взаимодействуя с электрическими и магнитными полями, индуцируемыми «электронными облаками» соседних молекул, заставляют газообразные молекулы отталкиваться друг от друга. Явление отталкивания материальных тел, заряженных одноимёнными электрическими зарядами или являющимися постоянными магнитами (при соответствующем расположении полюсов магнитов), хорошо известно. Именно силы отталкивания, возникающие между газообразными молекулами, имеющие полевую природу (электрическое и магнитное поля) и приводят ко всем хорошо известным свойствам газов: занимать весь предоставленный объём, рассеиваться в вакууме (космическом пространстве), обладать упругостью, создавать, вследствие действия силы притяжения к Земле, атмосферное давление, передавать звуковые волны и т. д.и т.п.

Представим цилиндр с поршнем, наполненный молекулами «идеального» газа (см. рис. 6 слева). Приложив к штоку поршня некоторую силу F, т. е. попросту надавив на поршень, мы можем уменьшить объём газа в n раз — например, вдвое, как это показано на рис. 6 справа.

Рис. 6 Адиабатное сжатие газа согласно электромагнитной теории теплоты

Голубыми «шариками» изображены главные эквипотенциальные поля молекул.

Вследствие сжатия газовые молекулы уплотнились, уменьшились расстояния между молекулярными ядрами, сократились в размерах главные эквипотенциальные поверхности полей молекул. Характер уплотнения молекул наглядно изображен на рис. 2. Может показаться, будто бы на рисунке справа просто-напросто внутри цилиндра с поршнем не нарисована половина молекул. Но присмотритесь повнимательнее — слева в каждом ряду молекул на рисунке — 9, а справа — уже 11. Я не ошибся. При уменьшении объёма вдвое расстояние между молекулами уменьшается всего на одну пятую часть (приблизительно) — см. рис. 7.

Рис. 7 Изменение соотношений длины ребра и площади грани куба при уменьшении его объёма вдвое

То есть, при уменьшении объёма в n раз расстояние между центрами газовых молекул R сокращается в раз:

(6).

Теперь определим, в какой пропорции увеличиваются силы отталкивания между отдельными газовыми молекулами (см. рис. 4). Существует экспериментально установленная универсальная формула для всех полевых взаимодействий, в т. ч. и для электрического, и для магнитного, и для гравитационного: и.

где (7).

k — соответствующий данному полю и принятой системе единиц коэффициент пропорциональности,.

x1 и x2 — «заряды» материальных тел, индуцирующих то или иное поле,.

R — расстояние между материальными телами.

Для гравитационного поля, например, этой формулой описывается закон всемирного тяготения:

где.

kг — гравитационная постоянная, являющаяся, по своей сути, тем же самым коэффициентом пропорциональности, а m1 и m2 — масса тел («гравитационный заряд»).

Согласно закона Кулона, величина силы взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними:

Аналогичное соотношение действует и для магнитного поля, например, для тел, являющихся постоянными магнитами.

Рис. 8 Увеличение сил отталкивания между отдельными газовыми молекулами при сжатии газа

Основным полем, определяющим поведение газовых молекул, в настоящее время я считаю электрическое поле, так как силы, создаваемые гравитационным полем, на несколько порядков меньше, а силы, создаваемые индуцированным вращающимися электронами магнитным полем, скорее всего, компенсирует друг друга вследствие разнонаправленности движения самих электронов. Поэтому можно бы было рассматривать поведение газовых молекул лишь на основе взаимодействия их электрических полей.

Но, единство характера всех полевых взаимодействий (см. формулу (7)) позволяет определить величину силы взаимодействия полей соседних молекул f по одной формуле:

(8).

в которой под обозначением x1 и x2.

).

мы будем понимать условную сумму всех типов «зарядов», индуцирующих соответствующие поля — и электрического, и разносторонне направленного магнитного, и пытающегося им противостоять гравитационного, а под kp — некий усредненный коэффициент для всех этих взаимодействий. Такой подход вполне возможен при приведении единиц измерения массы (выступающей в роли гравитационного «заряда»), электрического и магнитного зарядов к некоей действительно единой системе измерений.

Тогда до сжатия газа (см. рис., вверху), любые две соседние молекулы отталкивались друг от друга с силой:

(9).

а после сжатия (см. рис. 4, внизу), — с силой:

. (10).

Таким образом, при уменьшении объёма в n раз сила взаимодействия (отталкивания) между отдельными молекулами увеличится в:

(11).

то есть в раз.

Во сколько же раз в этом случае возрастёт давление газа? Чтобы правильно ответить на этот вопрос, вспомним, что же такое давление. Это величина усилия на единицу площади.

(12).

Очевидно, что усилие, создаваемое газовыми молекулами на единицу площади поверхности, равно сумме всех усилий, создаваемому каждой отдельно взятой молекулы fi, оказывающей давление на эту единичную площадь:

где (13).

м — количество молекул, оказывающих давление на единичную площадь (см. рис. 5).

Для упрощения понимания физического смысла адиабатных процессов в газах предположим, что все молекулы имеют некую среднюю для определенной массы газа величину «заряда» xср, индуцирующего различные поля. Эта величина «заряда» характеризует потенциальную способность молекулы к электромагнитному излучению. Её можно считать определенным мерилом температуры молекулы.

Очевидно, что газовые молекулы стремятся занять и занимают в пространстве такое положение, что все силы, действующие на них с разных сторон, уравновешиваются.

При условии, что все газовые молекулы имеют одинаковую температуру, определяемую равенством «зарядов» xср, все межмолекулярные силы взаимодействия равны fi = const. Тогда газовые молекулы занимают в пространстве такое положение, при котором все расстояния между любыми соседними молекулами равны.

Ri = const.

Тогда из уравнений (12) и (13) следует:

(14).

После сжатия, как мы определили (см уравнение (11)), усилие каждой отдельной газовой молекулы на внутреннюю поверхность цилиндра увеличилось в раз. Но, помимо этого, увеличилось и количество молекул, оказывающих давление на ту же самую площадь внутренней поверхности цилиндра (см. рис. 5).

Рис. 10 При сжатии газа увеличивается не только силы отталкивания между соседними молекулами, но и количество молекул, оказывающих давление на единицу площади

Допустим, что если до сжатия на «единичную» площадь оказывало давление aЧa молекул, то очевидно, после сжатия газа в n раз число этих молекул стало.

.

Таким образом количество газовых молекул, оказывающих давление на «единичную» площадь, увеличилось в раз:

(15).

Если обозначить через m количество молекул внутри воображаемой емкости кубической формы (см. рис. 3), а через — количество молекул, соприкасающихся со стенкой площадью S, будет справедливо следующее выражение:

(16).

Можно вывести аналогичное соотношение и для криволинейных форм ёмкостей, но при этом при дальнейших рассуждениях придётся учитывать, что давление газов (как и жидкостей) всегда нормально (перпендикулярно) к плоскости поверхности.

Если количество молекул, оказывающих давление на единицу площади поверхности, увеличилось в раз, и сила давления каждой молекулы на поверхность тоже увеличилось в раз, то давление газа при его сжатии в n раз увеличивается в.

раз (используем конечные результаты уравнений (11) и (15):

(17).

Таким образом, используя простейшие математические операции и элементарную логику, мы получаем, что теоретический показатель адиабаты для одноатомных идеальных газов равен 4/3, что значительно лучше соответствует результатам описанного выше эксперимента, чем общепринятый ныне в теоретической физике (МКТ) показатель адиабаты для идеальных одноатомных газов, равный 5/3.