Контактная разность потенциалов.

 

       Своеобразная картина взаимодействия потоков наблюдается при контактном эффекте. Причем контактный и линейный эффекты имеют много общих черт. Рассмотрим последовательно особенности контактного эффекта. Начнем с обсуждения природы контактной разности потенциалов.

       если замыкаются родственные проводники а и b (родственные тела располагают одинаковыми ансамблями форм движения, они различаются только численными значениями коэффициентов А в уравнении состояния) с несколькими внутренними степенями свободы, то после установления равновесного состояния на границе контакта (в спаях) появляются определенные разности потенциалов, которые именуются контактными. Появление контактной разности потенциалов обусловлено некоторым различием в коэффициентах А у родственных проводников. Это различие соответствует неточности соблюдения закона тождественности свойств.

       Величина контактной разности потенциалов находится из уравнений состояния, написанных отдельно для каждого проводника. Например, из уравнений (142) получаем (тела идеальные, рассматриваются удельные заряды и коэффициенты А):

                                           dР_1к = Р_{1 b} – Р_1а = а _11bе_{1 b} - а _11ае_{1 а} + а _12bе_{2 b} - а _12ае_2а; (639)

                                           dР_2к = Р_{2 b} – Р_2а = а _21bе_{1 b} – а _21ае_{1 а} + а _22bе_{2 b} – а _22ае_2а.        (639)

       Разности, стоящие в правых частях этих формул, могут приобретать различные значения в зависимости от конкретных условий взаимодействия проводников. В частном случае, если коэффициенты а_а и а_b у тел а и b равны между собой (закон тождественности свойств соблюдается точно, хотя такой случай трудно себе представить), то контактные разности потенциалов обращаются в нуль.

       Эффект контактной разности потенциалов – это исключительно широко распространенное явление природы. Его можно наблюдать между телами не только различной, но даже и одинаковой химической природы, например, на границе раздела твердой и жидкой фаз одного и того же химического вещества и т.д.

 

       2. Работа контактного заряжания.

 

       Если через скачок первого потенциала на границе раздела (в спае) проводников проходит второй заряд, то происходит заряжание второго ансамбля первым. Количественная сторона заряжания определяется теми же законами, что и линейного (§ 74). Например, работа контактного заряжания второго заряда первым находится по формулам типа (627) и (628):

                                           dQ_21к = b_21к dР_1кI₂²dЕ₂       дж;                                     (640)

                                           dI_Q21к = b_21к dР_1кI₂³ вт.                                                  (641)

       Работа контактного заряжания первого заряда вторым вычисляется по формулам (629) и (630):

                                           dQ_12к = b_12к dР_2кI₁² dЕ₁       дж;                                     (642)

                                           dI_Q12к = b_12к dР_2кI₁³            вт.                                      (643)

 

       3. Эффект контактной диссипации.

 

       Если через скачок первого потенциала проходит первый же заряд, то происходит выделение или поглощение термического заряда диссипации. Работа контактной диссипации определяется общим уравнением

                                           dQ_даb = - dР_к dЕ     дж,                                                 (644)

термический заряд контактной диссипации - уравнением

                                           d Q _даb = - (dР_к dЕ)/Т дж/град,                                         (645)

где Т – температура спая, °К.

       Работа и термический заряд диссипации положительны (выделяются), когда данный заряд распространяется в сторону падения сопряженного с ним потенциала, и отрицательны (поглощаются), когда заряд распространяется в сторону возрастания потенциала.

       Контактный эффект дает второй чрезвычайно распространенный в природе пример отрицательной диссипации (минус-трения). Правильная расшифровка физического смысла контактного эффекта есть крайне важное принципиальное достижение общей теории. Этой расшифровкой наносится сокрушительный удар по идее об одностороннем развитии (деградации) Вселенной.

 

       4. Контактная движущая сила.

 

       Скачок потенциала dР_к в спае представляет собой движущую силу сопряженного с ним заряда. Если равновесная цепь проводников замкнута, то суммарная контактная движущая сила равна нулю. В неравновесных условиях контактные движущие силы начинают играть важную роль. Например, эти силы оказывают решающее влияние на функционирование термодинамической пары.

 

 

Примеры явлений.

 

Термоэлектрические явления.

 

       Весьма характерные примеры контактного эффекта дают термоэлектрические системы.

       Контактные разности электрических потенциалов впервые обнаружил и исследовал Вольта в 1797 г. Согласно закону Вольта, в замкнутой цепи из проводников первого рода (в таких проводниках в зоне контакта не происходит химических реакций) суммарная разность контактных потенциалов равна нулю. Этот результат как частный случай вытекает из уравнений состояния (639), записанных для всех поверхностей контакта цепи. В частности, для круговой цепи, состоящей из двух тел, уравнения типа (639) дают:

                                           dР_1к = Р _1b – Р_1а + Р_1а – Р_{1 b} = 0;                                       (646)

                                           dР_2к = Р _2b – Р_2а + Р_2а – Р_{2 b} = 0.                                        (646)

       В правых частях этих уравнений все слагаемые попарно взаимно уничтожаются.

       Закон Вольта наглядно иллюстрируется рис. 36, где изображена правильно разомкнутая цепь. В такой цепи на концах помещены одинаковые проводники, они имеют равные значения потенциала.

 

 

Рис. 36. Правильно разомкнутая равновесная цепь

термоэлектрических систем (n = 2).

 

       Контактные разности электрических потенциалов d j_к составляют основную движущую силу процесс циркуляции электрического заряда в термоэлектрической паре Зеебека (§ 75). Там не равная нулю суммарная величина d j_к достигается путем создания разности температур DТ между спаями. В одном из спаев теплота диссипации выделяется, в другом – поглощается. Эту теплоту принято именовать теплотой Пельтье. Процесс выделения и поглощения теплоты Пельтье ошибочно рассматривается как обратимый (идеальный, без трения). На самом деле эффект Пельтье имеет чисто диссипативную (необратимую) природу. Более подробно об этом говорится в § 75.

 

       2. Прочие явления.

 

       На рис. 37, а и б приведены примеры различных условий контактирования тел а и b. В спаях (на границе раздела) этих тел образуются скачки соответствующих потенциалов. Перенос через такой скачок не сопряженного с ним заряда сопровождается эффектом контактного заряжания, а сопряженного – контактной диссипации.

       На рис. 37-б в качестве тел а и b служат пристеночный и осевой слои жидкости или газа, находящиеся в капилляре или омывающие его стенки. При этом требуется обратить внимание на следующую тонкость эффекта контактной диссипации.

       Контактная работа диссипации совершается во всех случаях, когда поток заряда проходит через спай, т.е. через поверхность, отделяющую тело а от тела b (рис. 37-а). Если данный заряд скользит вдоль поверхности спая, не проходя сквозь нее, то контактной работы нет, даже если в самом спае существует соответствующий скачок потенциала.

       Совсем другая картина наблюдается при свободном течении жидкости или газа через капилляр или капиллярнопористое тело. В этом случае термический заряд выделяется и поглощается при любом направлении потока. Это объясняется тем, что поток практически всегда пересекает границу капиллярного слоя b, образующегося возле твердой поверхности.

 

Рис. 37. Схемы возникновения эффекта контактной диссипации в

замкнутой цепи и отдельных проводниках (а) и в капилляре (б).

 

Количество термического заряда диссипации зависит от отношения между потоком I_b, попадающим в капиллярный слой, и потоком I_а, проходящим мимо этого слоя. На рис. 37-б контактная работа диссипации совершается только в зонах А и В. В осевой зоне и далеко за пределами стенки капилляра (вне проводника b, отмеченного пунктирной линией) эффекта нет. Например, вата имеет большое число волокон, вокруг которых образуется слой b, поэтому отношение I_b/I_а, (а следовательно, и эффект контактной диссипации) получается значительным. Минимальная контактная диссипация наблюдается в гладкой трубе.

       Это замечание существенно для правильного понимания известного эффекта Джоуля-Томсона [5].