Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

СТУДЕНТАМ на ЗАМЕТКУ

Разъяснение основных терминов

Формы и виды энергии

Условия успешной систематизации

Классификация физических систем

Основная идея системы

Таблицы физических величин

В чем новизна сайта?

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Систематизация величин         силовых полей

     Систематизация величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Обобщение явлений         переноса

     Критерии подобия всюду

     Альтернативные взгляды         на проблемы метрологии


Системный подход в экономике

История проблемы
систематизации величин


Учить физику по-новому!

Учебно-наглядные пособия


Каталог ссылок

Обновления на сайте

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Тепловое излучение

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Взаимосвязь теплового излучения с уровневой физикой.
2. Закон смещения Вина при тепловом излучении.
3. Как изменяет единица количества считаемых величин
физическое содержание закона теплового излучения Планка.
4. Закон теплового излучения Планка подтверждает равенство
единицы термодинамической температуры единице количества считаемых величин.


ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я), а по поводу примененных обозначений – по ссылке Символьный указатель (латинские буквы и греческие буквы).

1. Взаимосвязь теплового излучения с уровневой физикой.

Тепловое излучение связано не только с той тепловой формой движения в макромире, которая понимается как движение материальных энергоносителей. Хотя любая волна тоже является энергосителем. Тепловое излучение − это электромагнитное излучение в определенном диапазоне частот. Но электромагнитные волны изучаются лишь на одном из уровней структурного строения материи.

На рисунке изображен в качестве примера один из вариантов уровневой схемы структурного строения материи, приведенный в работе В.Пакулина (2004). На схеме Есв − энергия связи, T − термодинамическая температура. Согласно этой схеме подуровень макровещество, в состав которого входят газы, жидкости и твердые тела, занимает очень малую долю того, что сейчас считают материей. И только для этой малой доли составлена международная температурная шкала МТШ-90. Естественно, что нет основания судить о температуре всех остальных структурных уровней материи с помощью этой шкалы.

В качестве любопытного феномена заметим, что принятое в современной физике процентное отношение энергии связи вещества (4,4%), электромагнитного поля и излучения (23%) и темной энергии с вышележащими уровнями (72,6%), если его представить в виде отношения логарифмов, приблизительно равно 1:2:3. В дальнейшем (В.Пакулин, 2012) схема уровневой структуры материи претерпела изменения, но для пояснения взаимосвязи температуры с уровнями лучше подходит схема, в которой имеется температурная ось.

Указанная схема, вне зависимости от того, насколько она верна в деталях, требует ответа на вопрос о том, в каких единицах оценивать температуру на любых уровнях структуры материи, а не только на подуровне "Макровещество". На этом подуровне, как показано в статье об единичном тепловом заряде, таковым является термон (количество энергии, приходящееся на 3 степени свободы одного энергоносителя, на данном подуровне молекулы). А на всех других уровнях и подуровнях существуют другие энергоносители с другими элементарными зарядами, содержащими другое количество энергии и являющимися физическими константами для своего уровня.

Чем выше на схеме структурный уровень, тем меньше размеры его элементарного заряда, тем больше количество энергии, приходящееся на этот элементарный заряд, тем больше количество энергоносителей, содержащих эти элементарные заряды. При этом речь идет о различии не в разы, а в порядки. Определение термина термодинамическая температура при этом может не меняться, меняется физическое содержание энергоносителей и их элементарных зарядов.

2. Закон смещения Вина при тепловом излучении.

Закон смещения Вина описывает тепловое излучение, которое является частным случаем электромагнитного излучения в определенном диапазоне длин волн излучения. Сами волны являются энергоносителями, а единичным зарядом является полная энергия одной волны. Поскольку в статье, посвященной термодинамической температуре, она определяется как количество единичных зарядов в однородной системе и измеряется либо в штуках, либо в других единицах, соответствующих штуке, то в данном случае единицей термодинамической температуры является одна волна излучения.

Закон смещения Вина относится к зависимостям испускательной способности абсолютно черного тела от изменения длины волны теплового излучения λ. Он устанавливает связь между температурой абсолютно черного тела Т, называемой также радиационной температурой, и длиной волны теплового излучения λm , соответствующей экстремуму (максимуму) этой зависимости. Закон Вина обычно записывают в таком виде:

m = b, ( 1 )

где b – постоянная Вина. Из уравнения (1) следует, что в СИ единица постоянной Вина b должна быть равна м К. В системе величин ЭСВП размерность любой длины волны равна LС−1, а единица равна метр штука−1 (в данном случае - метр волна−1). Следовательно, постоянная Вина b это длина волны, соответствующей λm при радиационной температуре Т. Постоянство b свидетельствует об обратной пропорциональности Т и λm . У И.Савельева (2005, кн.5) показано, что постоянная Вина

b = hc/x2 k, ( 2 )

где h – постоянная Планка; c – скорость света в вакууме; k – постоянная Больцмана, а безразмерная физическая константа х2 = hc/kb = 4,965. О размерности и единице постоянной Больцмана написано в статье, посвященной размерности температуры, а о размерности и единице постоянной Планка написано в статье, посвященной числу структурных элементов. Анализ размерностей уравнения (2) подтверждает, что постоянная Больцмана имеет единицу Дж волна−1, а постоянная Планка – единицу Дж с волна−1.

3. Как изменяет единица количества считаемых величин
физическое содержание закона теплового излучения Планка.

В законе теплового излучения Планка присутствует множитель

1/[exp (hν/kT) - 1] , ( 3 )

определяющий всё физическое содержание этого закона. В отличие от критерия подобия x2 с постоянным значением в законе смещения Вина в законе теплового излучения Планка присутствует критерий подобия с переменным значением:

х1 = hν/kT . ( 4 )

Если понимать знаменатель критерия x1 , как энергию, переносимую волнами теплового излучения, то в нем должно находиться выражение nw kT, в котором nw − это количество волн теплового излучения. Точно так же числитель x1 следует понимать, как энергию, переносимую фотонами, и тогда в числителе должно находиться выражение nph, в котором nph − это количество излучаемых фотонов. И тогда критерий х1 должен быть записан не так, как в (4), а в виде:

х1 = (nph)/(nw kT) . ( 5 )

В такой записи критерий х1 приобретает следующее физическое содержание: это отношение энергии какого-то количества nph испускаемых абсолютно черным телом фотонов к энергии какого-то количества nw испускаемых абсолютно черным телом электромагнитных волн в тепловом диапазоне. Если провести анализ единиц в критерии х1 , то получится выражение

[х1 ] = (Дж·фотон)/(Дж·волна) . ( 6 )

Так как единицы ”фотон” и ”волна” − это разные названия единицы ”штука”, то становится ясно, что критерий подобия х1 включает в себя в качестве сомножителя еще один критерий подобия nph /nw , который, в основном, и определяет физическое содержание закона теплового излучения Планка.

Это очень важный вывод, так как при отсутствии в современной записи закона теплового излучения Планка указанного критерия подобия как бы по умолчанию предполагается, что критерий подобия nph /nw может быть равен единице и что он вообще не имеет никакого физического содержания.

4. Закон теплового излучения Планка подтверждает равенство
единицы термодинамической температуры единице количества считаемых величин.

При рассмотрении знаменателя уравнения (4) становится понятным, почему единица штука оказалась единицей термодинамической температуры T, о чем подробно написано в статье о термодинамической температуре. Фактически это единица числа волн электромагнитного излучения nw . Но поскольку число волн nw в современную запись закона теплового излучения Планка не включается, то единица штука оказалась включенной в единицу термодинамической температуры.

Становится также физически ощутимым смысл невозможности ультрафиолетовой катастрофы. Он заключается в следующем. Суммарная энергия излучения тела состоит из двух слагаемых: энергии теплового излучения в виде электромагнитных волн и энергии излучаемых телом фотонов, являющихся частицами, а не волнами. Несмотря на то, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме и скорость фотонов в вакууме одинаковы и равны скорости света с, фотон и волна это два различных энергоносителя с различными физическими свойствами. В частности, поглощение энергии электромагнитных волн и поглощение энергии фотонов в любой среде существенно отличаются друг от друга.

В низкочастотном диапазоне излучение тела состоит преимущественно из электромагнитных волн. Чем выше частота, тем больший процент при излучении составляют фотоны, а энергия теплового излучения падает в процентном выражении до тех пор, пока не становится неощутимой. Суммарная же энергия излучения, включающая энергию излучаемых фотонов, растет постоянно, как с ростом частоты, так и с ростом температуры излучающего тела. Кривые на графиках зависимости энергетической светимости от длины волны, имеющие максимум при λm , относятся только к энергии теплового излучения, то есть только к одному из слагаемых суммарной энергии излучения.

При условии х1 << 1, то есть на нижнем пределе частотного диапазона инфракрасного излучения, закон теплового излучения Планка переходит в закон теплового излучения Рэлея-Джинса, определяющий равновесную плотность теплового излучения, исходя из статистического представления о равнораспределении энергии по степеням свободы. Отсюда следует вывод о том, что представление энергии теплового излучения с помощью выражения (kT) релевантно лишь на уровне макровещества, изучаемого классической физикой, но не квантовой оптикой.

Важен еще один вывод. Приведенная трактовка критерия подобия х1 в виде (nph)/(nw kT) отрицает существование корпускулярно-волнового дуализма. О неправомерности его существования говорят практически все приверженцы уровневой физики.

А в целом данная статья приводит еще одно доказательство важности и необходимости введения в перечень основных величин числа структурных элементов (количества считаемых величин) с размерностью С.

Литература

1. Пакулин В.Н., 2004, Структура материи. – http://www.valpak.narod.ru
2. Пакулин В.Н., 2012, Структура материи. Вихревая модель микромира. – СПб, НТФ "Истра", 120 с.
3. Савельев И.В., 2005, Курс общей физики (в 5 книгах). – М.: АСТ: Астрель



© И. Коган Дата первой публикации 20.04.2008
Дата последнего обновления 21.12.2015

Оглавление раздела Предыдущая Следующая