Некоторые экспериментальные результаты

Из уравнений (220) и (222), обобщенных седьмым началом, видно, что процессы заряжания и экранирования описыва­ются внешне похожими формулами. Вместе с тем мы теоретически установили, что в физическом плане эти процессы имеют весьма существенные различия. При заряжании данным веществом происходит изменение сопряженного с этим вещест­вом интенсиала системы, никаких других побочных эффектов не наблюдается. При экранировании изменение данного интен­сиала потока сопровождается выделением или поглощением термического вещества, что является эффектом, дополнитель­ным по отношению к основной степени свободы системы. При экспериментальной проверке седьмого начала надо особое внимание обратить на вывод о независимости процесса заряжания от каких бы то ни было побочных эффектов, в частности от эффекта выделения или поглощения терми­ческого вещества. Именно это свойство сильнее всего отличает заряжание от экранирования, в дальнейшем оно окажет неоценимые услуги при объяснении многих кажущихся пара­доксальными явлений природы. Проверочные опыты целесо­образно спланировать так, чтобы основная степень свободы отличалась от термической. Тогда при наличии одновременно заряжания и экранирования невозможно будет спутать эти два процесса.

Указанным требованиям хорошо удовлетворяет процесс заряжания конденсатора электрическим зарядом. В этом опыте основная степень свободы - электрическая - не совпа­дает с экранируемой термической, что дает возможность легко отделить одно явление от другого. Кроме того, элект­рические и тепловые величины поддаются сравнительно точному измерению.

Будем считать, что конденсатор заряжается равновесно (см. параграф 1 гл. XVI), то есть практически при равно­мерном распределении потенциала в его объеме. Для этого в цепь конденсатора включается достаточно большое сопро­тивление R, на которое приходится почти все падение потен­циала. В результате разностью потенциалов в сечении конденсатора допустимо пренебречь. Можно также пренебречь емкостью сопротивления. Это значит, что к конденсатору должен быть применен только закон заряжания, а к сопро­тивлению - только закон экранирования.

Согласно закону заряжания, подвод (или отвод) заряда Ψ к конденсатору связан с совершением работы Q₃ и изменением энергии последнего на величину (см. уравнения (61) и (220))

U_Y3 = Q₃ = (1/2)jY = (1/2)К_Yj² (231)

где j - потенциал, до которого заряжается конденсатор; К_Y - электроемкость этого конденсатора. Множитель 1/2 появляется вследствие того, что поступающие в конденсатор порции заряда dY испытывают изменения потенциала в пре­делах от 0 до j, поэтому для них среднее значение потенциала за процесс составляет (1/2) j.

Согласно закону экранирования, практически все терми­ческое вещество выделяется на сопротивлении R, при этом совершаемая работа Q_Э и изменение энергии находятся из соотношения (см. уравнение (222))

U_YЭ = Q_Э = (1/2)jY (232)

Это количество тепла «диссипации» должно выделиться на сопротивлении R за каждый акт заряжания (или разряжания) конденсатора. Как видим, величины Q₃ и Q_Э равны между собой, следовательно, полная электрическая составля­ющая энергии заряженного тела (конденсатора) U_Y, как это и утверждается формулами (210), (215) и (228), равна произведению потенциала на величину заряда (φΨ).

Поместив конденсатор и сопротивление в два независимых калориметра, мы в первом не должны обнаружить изменения температуры, а во второй должно поступить количество тепла, определяемое формулой (232); при этом температура второго калориметра должна повыситься на величину, равную теплоте Q_Э, поделенной на теплоемкость калориметра, то есть на его водяное число.

Были осуществлены многочисленные опыты в самых раз­личных вариантах; все они хорошо подтверждают теорию. Например, при заряжании лавсанового конденсатора емкостью 10 мкФ до потенциала 400 В совершается работа, равная 0,8 Дж (см. формулу (231)). Эта величина легко поддается измерению. Конденсатор и сопротивление погружены в сосуды Дюара с маслом, играющие роль калориметров; они изоли­рованы легковесным пенопластом и помещены в термостат. Температура калориметров определяется с помощью термо­столбика из десяти последовательно соединенных дифферен­циальных медь-константановых термопар, холодные спаи которых находятся в сосуде Дюара с тающим льдом. Для измерений использованы потенциометры типа Р309 или Р348 с ценой деления 10^-8 В. Следовательно, термостолбик позволяет зафиксировать изменение температуры калори­метра с точностью 2·10^-5 Κ, что почти на два порядка превышает эффект, создаваемый теплотой Q_Э. Во всех случаях процесс заряжания сопровождается нулевым тепловым эффек­том, а процесс экранирования - эффектом, определяемым формулой (232). Что и требовалось доказать (из совместных опытов со студентом А.А. Вейником).

Повышение чувствительности приборов дало те же результаты. Неоднократное повторное заряжание и разряжание конденсатора в течение одного опыта не исказило резуль­татов, следовательно, в данном конденсаторе описанный в предыдущем параграфе эффект преобразования теплоты в электроэнергию практически не ощущается.

Для экспериментального подтверждения седьмого начала были проведены также многочисленные и разнообразные опыты, где в качестве основной степени свободы выступает кинетическая. В наиболее наглядной и характерной форме она проявляется при ударе тел, который можно рассматривать как процесс их объединения, то есть процесс заряжания системы массой. Кстати, даже простое качание маятника можно трактовать как упругое соударение его с Землей, движение космических тел по орбитам тоже есть упругое соударение соответствующих объектов и т.п.

Изучался удар двух маятников, вращающихся дисков, падающих и движущихся горизонтально тел и т.д. Резуль­таты некоторых из этих опытов описаны в работе [21, с.360]. Например, стальные грузы диаметром 75 мм и длиной 120 мм качаются вокруг общей оси на стальных подвесах длиной 2,6 м, в нижней точке они соударяются друг с другом. Хромель-копелевые термопласты зачеканены в свободные торцовые поверхности грузов, следовательно, чувствительность упомянутого выше потенциометра составляет около 1,5· 10^-4 К. Все термопары, провода и грузы тщательно защищены никелевой лентой и заземлены во избежание посторонних электрических и магнитных наводок. Согласно закону экра­нирования, при падении стального груза с высоты 2,6 м изменение его температуры должно составить 0,055 К, или 3,7 мкВ, что на два порядка превышает чувствительность прибора. В данном, как и во всех других случаях удара, был получен нулевой температурный результат. Это значит, что процесс заряжания массой, как и электричеством, не сопро­вождается эффектом экранирования. Следовательно, главный вывод, касающийся различия процессов заряжания и экранирования, является правильным: при заряжании интенсиал системы изменяется без термических эффектов, в противопо­ложность этому при экранировании изменение интенсиала переносимых ансамблей сопровождается выделением или поглощением термического вещества, что наблюдается, например, при диффузии массы.

Необходимо добавить, что кинетическая степень свободы вообще слабо связана уравнением состояния с другими сте­пенями свободы. Именно поэтому удар при обычно достижимых небольших скоростях не вызывает тех изменений, температуры внутри тела, о которых говорилось в предыдущем параграфе. По той же причине механика в течение нескольких столетий существовала как самостоятельная, не связанная с другими дисциплина.

Что касается собственно закона экранирования, то на сегодня он располагает уже достаточным количеством надеж­ных и убедительных теоретических и экспериментальных обоснований и подтверждений [21]. Например, из закона экранирования в качестве частного случая вытекает известный опытный закон Джоуля-Ленца. Согласно этому закону, при распространении заряда в сторону убывающего потенциала количество выделяющегося тепла, так называемого джоулева тепла:

Q_Э = jI_Yt = jY (233)

или в дифференциальной форме

dQ_Э = - dj dY (234)

где j - разность потенциалов; I_Y - сила тока; t - время. Это равенство является частным случаем общего уравнения (222) закона экранирования и широко применяется на практике.

Открытие Р. Майером закона сохранения энергии тоже фактически связано с наблюдением эффекта экранирования, при котором происходит преобразование механической работы в термическую в ходе выделения экранированного терми­ческого вещества [18, с.223].

Если энтропию приравнять мере количества термического вещества, то можно провести аналогию между уравнением закона экранирования ОТ и известным уравнением Онзагера, которое определяет скорость возрастания энтропии в единице объема системы (см. параграф 4 гл. XX).

Перечисленные и некоторые другие опытные факты отно­сятся к процессам, сопровождающимся выделением теплоты диссипации. Они хорошо известны, и нет нужды продолжать перечень, чтобы убедиться в справедливости этой (первой) стороны закона экранирования. Но закон экранирования имеет еще и вторую сторону. Речь идет о том, что он допускает существование не только упомянутых выше прямых процессов, когда вещество распространяется в направлении убывающего интенсиала и экранированная теплота (трения) выделяется, но и обратных процессов, когда вещество распространяется в направлении сопряженного с ним возраста­ющего интенсиала и экранированная теплота (минус-трения) поглощается. Эта сторона закона экранирования ранее была не известна, поэтому заслуживает особого упоминания.

В этом вопросе также можно сослаться на хорошо известные опытные факты. Например, упомянутые обратные процессы содержатся в известных термоэлектрических эффектах Томсона и Пельтье. В эффекте Томсона, проявляющемся при наличии на концах проводника одновременно двух разностей - тем­ператур и электрических потенциалов, - экранированная теплота либо выделяется вдоль проводника по типу рис. 4, а, либо поглощается по типу рис. 4, б (см. параграф 3 гл. XIII). Теплота Пельтье в спае двух разнородных проводников тоже либо выделяется по типу рис. 4, в, либо поглощается по типу рис. 4, г (см. параграф 4 гл. XIII). В обоих процессах, изобра­женных на рис. 4, б и г, электрическое вещество преодоле­вает обратную разность электрических потенциалов под действием других степеней свободы носителей: в эффекте Томсона - под действием термической, а в эффекте Пельтье - под действием химической, магнитной или какой-нибудь другой.

Необходимо сразу же оговориться, что каждому из обсуждаемых эффектов в свое время было дано соответствую­щее толкование ad hoc - применительно к данному конкрет­ному случаю. Однако для нас это не существенно, для нас важен только сам голый опытный факт, согласно которому умень­шение энергии переносимого ансамбля сопровождается выделением теплоты или фотонов, а возрастание - их погло­щением. Следовательно, все эти эффекты имеют одинаковую физическую природу и могут быть объяснены с единых позиций ОТ. Например, эффекты Томсона и Пельтье принято называть «обратимыми» и противопоставлять их «необрати­мому» эффекту Джоуля-Ленца, хотя в основе их лежит один и тот же эффект экранирования, делающий все реальные процессы в конечном итоге обратимыми.

Особенно экзотично эффекты экранирования выглядят на уровне микромира, где для их объяснения приходится прибегать к различного рода микромодельным гипотезам. Например, известны эффекты Джозефсона, когда между двумя сверхпроводящими кусками металла, разделенными тонким слоем изолятора, проходят электроны. Они преодолевают ничтожный скачок потенциала типа ВС на рис. 4, в; этот процесс сопровождается излучением фотонов. По-видимому, если с помощью какой-либо другой степени свободы заста­вить электроны двигаться в обратном направлении (по пути ВС на рис. 4, г), то термическое вещество будет поглощаться и появится обратный эффект Джозефсона. Еще пример: экранированные фотоны выделяются при торможении заря­женной частицы электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов. Должен существовать также и обратный тормозному излучению процесс экранирования термического вещества заряженной частицей при ее разгоне в этом поле. Аналогичную природу имеет известный эффект Черенкова, когда заряженные частицы излучают свет, если при движении в веществе их скорость превышает скорость света в этом веществе.

Следует заметить, что при обсуждении всевозможных эффектов, подвластных закону обобщенного заряжания, важно не спутать процессы экранирования и заряжания, чтобы не впасть в ошибку. Для этого надо четко различать отдельные степени свободы системы и носителя. И учитывать известную специфику, которая появляется при рассмотрении термической степени свободы. Например, во всех упомяну­тых эффектах, кроме эффекта Томсона, основная степень свободы отличается от экранированной - термической. Если же основной степенью свободы служит сама термическая, тогда все законы и соотношения сохраняют свою силу, но эксперимент теряет необходимую наглядность, ибо основную степень свободы уже невозможно отличить от экранируемой. В этом, как и во многом другом, заключается особенность термических явлений [ТРП, стр.205-211].