Страница 55 из 150
Согласно закону экранирования, практически все термическое вещество выделяется на сопротивлении R , при этом совершаемая работа QЭ и изменение энергии находятся из соотношения (см. уравнение (222))
U?Э = QЭ = (1/2)?? (232)
Это количество тепла «диссипации» должно выделиться на сопротивлении R за каждый акт заряжания (или разряжания) конденсатора. Как видим, величины Q3 и QЭ равны между собой, следовательно, полная электрическая составляющая энергии заряженного тела (конденсатора) U? , как это и утверждается формулами (210), (215) и (228), равна произведению потенциала на величину заряда (??).
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 QЭ , 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 ?, что почти на два порядка превышает эффект, создаваемый теплотой QЭ . 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:
QЭ = ?I?t = ?? (233)
или в дифференциальной форме
dQЭ = - d? d? (234)
где ? - разность потенциалов; I? - 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.