Опыт, описывающий явления, находящиеся на границе тепловых и электрических процессов.

Описание опыта. Стеклянный термос ёмкостью 0,3 литра закрывается пробкой, через отверстие в пробке пропускаются провода термопары и мощного резистора. Термопара и мощный резистор находятся внутри термоса почти на самом дне. Термопара предназначена для измерения температуры прибором-самописцем температуры APPA-109N, эта термопара входит в комплект прибора. Резистор номиналом 5,1 Ом и мощностью 3 Ватта предназначен для нагревания среды внутри термоса - в качестве среды нагревания в термосе использовалось масло, предназначенное для вакуумных насосов «Мультивак», в термос заливается 61 грамм масла.  Резистор запитывается от регулируемого источника постоянного тока GSV-1200.

Опыт с нагреванием среды в термосе проводится в течение 2,5 суток, поэтому прибор APPA-109N обеспечивается батареями питания повышенной ёмкости. Самописец APPA-109N пишет параметр – температуру – с шагом во времени 30 секунд. Самописец имеет ёмкость памяти 6000 измерений. По истечении 2,5 суток в термосе устанавливается тепловое равновесие и регистрируется температура, близкая к стабильной – обозначим эту температуру как T_O (температура объекта). В процессе измерения фиксируем приборами также следующие параметры: электронным термометром TM-977  - температуру окружающей среды (температуру в комнате вдали от источников тепла), мультиметром MY-68 измеряем ток через резистор, другим мультиметром MY-68 - напряжение на выводах резистора.

Одну точку измерения мы получаем через 2,5 дня нагревания среды. Задача эксперимента - установить функциональную взаимосвязь между параметром P – мощность протекающего через резистор тока I:

и параметром

где ΔU – напряжение, падающее на резисторе,

T_C - температура окружающей среды (комнатная температура).

В процессе измерений была получена следующая таблица:

Таблица 1.6.1.

Температура в таблице 1.6.1 измерена в градусах по Цельсию.

Таблица 1.6.2.

В таблице 1.6.2 получены расчётные величины. Построим график ΔT и ΔU² в зависимости от мощности P (рис. 1.6.1):

Рис. 1.6.1. Экспериментальные данные для ΔT (голубые точки) и для ΔU2 (зелёные точки). Красными точками построена математическая модель для ΔT, сиреневыми точками - математическая модель для ΔU² = P*R, R – сопротивление резистора в термосе. Сиреневыми числами обозначены деления аргумента функции ΔU² = P*R.

Подобие тепловых и электрических процессов определяется сравнением их потенциалов ΔT и ΔU. Прямая пропорциональность между ΔT и мощностью (тепловым током) P выражается законом Фурье через тепловое сопротивление (величина, обратная теплопроводности):

Отсюда единица измерения теплового сопротивления 1 тепловой Ом = 1 Кельвин / 1 Ватт. На примере закона Фурье (см. рис. 1.6.1) видно, что ΔT пропорционально ΔU². Представим электрический и тепловой законы (законы Ома и Фурье) в виде:

 

Отсюда:

Единица измерения мощности P – Ватт. Она является тепловым током, поскольку определяется размерностью:

Теории теплового заряда.

На данный момент существует 2 теории теплового заряда:

1. Теория, разработанная А.И. Вейником, Д.С. Ермолаевым и И.Ш. Коганом - назовём её «теорией параллельного использования единицы энергии Джоуль». В этих теориях тепловой заряд, как и электрический, определяется через свой потенциал и единицу энергии Джоуль.

2. Теория, разработанная на основе изучения эмпирических уравнений ВАХ электронных приборов - назовём её «теорией вложенных разделов», поскольку раздел электродинамики здесь вложен в раздел термодинамики.

Рассмотрим особенности 1-й и 2-й теорий теплового заряда. Для этого надо научиться понимать блок-схемы. Например, рассмотрим закон Ома, а именно, ту его часть, которая характеризует потенциал. По определению, электрическое напряжение, или разность электрических потенциалов:

Единица измерения электрического напряжения 1 Вольт = 1 Джоуль / 1 Кулон. Современная физика определяет разность электрических потенциалов как отношение некоторого параметра «энергия» к «заряду», переносимому электрическим током. Построим блок-схему этого закона:

Рис. 1.6.2. Блок схема для электрического заряда – единственного заряда, существующего в современной физике.

На рис. 1.6.2. видно, что потенциал U связывает между собой энергию Е в Джоулях и электрический заряд Q в Кулонах. К сожалению, в современной физике нет формулы для теплового заряда, который должен быть связан со своим потенциалом T (температурой в Кельвинах). Таким образом, блок-схема 1-й теории теплового заряда:

Рис. 1.6.3. Блок-схема 1-й теории теплового заряда.

На рис. 1.6.3. видно, что единица энергии Джоуль входит и в формулу для электрического заряда, и в формулу для теплового заряда. Выражение для разности температурных потенциалов в 1-й теории теплового заряда должно выглядеть так:

где Ер – тепловой заряд в 1-й теории (единица измерения «Ер»). Единица измерения теплового напряжения 1 Кельвин = 1 Джоуль / 1 Ер. Отсюда:

Это выражение позволяет создать следующие конструкции:

Из законов Ома и Фурье мы получили выше:

Тогда из выражений (1.6.8) и (1.6.4):

Так как L - некоторая константа, то выражение (1.6.9) представляет собой «странное» уравнение, где энергия в опыте, демонстрирующем закон Фурье, представляет собой величину, кратную отношению квадрата электрического заряда к тепловому заряду. Поэтому оно неверно.

Рассмотрим теперь 2-ю теорию теплового заряда. На рис. 1.6.4. приведена блок-схема потенциалов во 2-й теории теплового заряда:

Рис. 1.6.4. Блок-схема 2-й теории теплового заряда. Энергия высшего уровня обозначена как «Энерг 2».

На рис. 1.6.4. видно, что для электрической системы единиц единица Джоуль является энергией, а для тепловой системы она же является тепловым зарядом! Противоречит ли это современной физике? С точки зрения законов и формул – не противоречит, хотя с точки зрения философии обывателя такая система нова. Всё дело в том, что в современной физике нет других энергий, кроме той, что имеет размерность работы (Джоуль), то есть нет иерархии (уровней) энергии! Во 2-й теории теплового заряда тепловые процессы и электрические не создают противоречий между собой. Новой системой единиц я выдвигаю гипотезу, что во Вселенной существует тепловое воздействие тел друг на друга. Энергия теплового воздействия связана с тремя основными полями - тепловым, электрическим и магнитным, поэтому она способна конвертировать тепловую энергию в другие виды взаимодействия. Назовём эту энергию «флуктуационной», поскольку она вызвана отклонениями от нормы сразу 3-х основных потенциалов 3-х полей - магнитного, электрического, теплового. Она приводит к уравниванию энергии во Вселенной, поэтому тела с одинаковой температурой отталкиваются, а тела с различной температурой – притягиваются. Это притяжение или отталкивание обусловлено законом о снижении флуктуаций во Вселенной.

В макромире и микромире также зможно наблюдать перенос тепла. Существует закон о воздействии на электроны некоторой силы, заставляющей их участвовать в теплопередаче - этот закон впервые проявился в эмпирических формулах для тока вольт-амперных характеристик (ВАХ) электронных приборов на основе вакуумного и полупроводникового диодов.

Система теплового заряда абсолютно не противоречит современной физике и поэтому легко достраивается к её единственному электрическому заряду. Его единица Фурье легко вычисляется и не претендует на то, чтобы с помощью неё вычисляли Энергию - её энергия уже другая (!) и является «энергией высшего уровня», то есть уровня макромира. Тогда Джоуль становится только тепловым зарядом и своеобразной энергией, участвующих в процессах микромира, коим является процесс в законе Джоуля-Ленца. Но поскольку Джоуль уже стал эталоном энергии, который применяют и в других разделах физики, можно не менять эту традицию - пусть всё остаётся так, как было. Время рано или поздно расставит всё по местам (по уровням иерархии). Но пока достройка системы потенциалов, представленная на рис. 1.6.4., позволит оперировать с переходными процессами, происходящими в электронных приборах, и другими типа явления грозы, флуктуаций. К этим же процессам можно отнести тепловую теорию Карно.

Обозначим основные потенциалы по смыслу - как разности потенциалов со знаком Δ:

1. Электрическое напряжение ΔU – электрический потенциал, определяет закон Ома.

2. Тепловое напряжение ΔT - температурный потенциал, определяет закон Фурье.

3. Составной потенциал ΔP – мощность, или тепловой ток, котоорый имеет вид:

4. Составной потенциал ΔF – следовало бы назвать его термоэлектрическим потенциалом, так как он имеет вид произведения температуры на напряжение (подробнее он рассмотрен в главе 1.7.):

Но термин «термоэлектрический потенциал» уже существует в физике, поэтому для исключения путаницы будем называть его «составным термоэлектрическим потенциалом».

Существует всего три составных потенциала:

Составной термоэлектрический потенциал преобразуется в ток (разность токов). Пример - термопара.

Составной электромагнитный потенциал преобразуется в тепло (разность температур). Пример - излучение звёзд, планет и спутников. Так, излучение Солнца нагревает Землю посредством разности составных электромагнитных потенциалов, и в то же время любая разность температур создаёт излучение электромагнитного поля (инфракрасное излучение).

Составной термомагнитный потенциал преобразуется в напряжение (разность напряжений). Пример - магнитный гидродинамический генератор (МГД-генератор).

Составной термоэлектрический потенциал (СТЭ-потенциал, СТЭП) возможно обнаружить при исследовании термоэлектрических явлений. При этом блок 5 на рис. 1.6.4. просто необходим, чтобы создать полноценную теорию теплового заряда для потенциала T. Также для описания вольт-амперных характеристик (ВАХ) электронных приборов необходим составной потенциал «флуктуационный ток» (см. главу 1.7). Пока только могу добавить, что введённые единицы не только не мешают прежним единицам, но и расширяют физическую картину мира - тепловые процессы обретают тепловой заряд, а термоэлектрические процессы получают свой вид потенциала (СТЭ–потенциал) ΔF = ΔU * ΔT.

Элементы термоэлектроники