Nieśmiertelna ścianka. Termodynamika cz.3

Fizycy uważają, że podstawowe, fundamentalne prawa termodynamiki zostały odkryte już ponad 100 lat temu.

 

To samo dotyczy modeli, na podstawie których opracowano formuły opisujące zjawiska charakteryzujące stan badanych i analizowanych układów.

 

Najbardziej fundamentalną cechu układu jest ilość stopni swobody tworzących go składników i wynikające z tego współczynniki w równaniach termodynamicznych – "3/2", "5/2" i "6/2".

 

Skąd się one wzięły?

 

Z nieśmiertelnych ścianek! Nie wierzycie, to przeczytajcie dalej.

 

Minęło już ponad 105 lat od sformułowania trzeciej zasady termodynamiki, i ponad 140 lat od tego momentu, gdy rozebrano się ze stopniami swobody, a profesjonalni fizycy piszą o tych "nieśmiertelnych ściankach" tak:

 

Eine:

W każdym elementarnym podręczniku fizyki wyprowadza się wzór na ciśnienie gazu[wielkość makroskopowa] w zależności od prędkości cząsteczek[wielkość mikroskopowa].
P = n*M(v^2)śr : 3*V
Liczba 3 pojawiła się bo są trzy składowe v(x),v(y),v(z) średnich kwadratów prędkości i cząsteczki uderzają o trzy prostopdałe ścianki zbiornika.

 

SNAFU:

Niech Pan sobie wyobrazi taka ścianędo odbijania piłek tenisowych. I niech Pan sobie wyobrazi, że naprzeciw niej stoi tłumek N ludzi z rakietami, kazdy z nich raz na (Delta t) sekund uderza w swoja piłeczke, nadając jej predkośc V, przy masie m. No i jaka siła będzie działac na tę ścianę, w która wali grad piłeczek?

Zakładamy, ze na piłeczkę zderzajacą sie ze sciana działa siła f, która hamuje jej bieg, a poźniej nadaje jej prędkośc V w odrwotnym kierunku.
Teraz trzeba wyliczyć sobie, jak długo piłeczka bedzie w kontakcie ze ścianą, biorąc a=f/m; czas kontaktu ze ściana wymiesie

 

Niby fajne. Niby logiczne, ale naturalną koleją rzeczy rodzi się pytanie – a co się dzieje w środku gazu, tam gdzie nie ma ścianek? Nie ma ciśnienia?

 

Przeanalizujmy następującą sytuację:

 

Poddajemy analizie objętość Vjed = 1 m^3 powietrza (Vjed – objętość jednostkowa) w warunkach normalnych i zadajemy sobie pytanie – ile jest równa energia kinetyczna tej objętości. Zakładamy przy tym, że składnikiem gazu nie jest molekuła z jakimiś tam stopniami swobody, a oscylator, który porusza się dwoma ruchami:

 

– oscylacyjne wachania wewnątrz pewnej "objętości własnej" (objętości zajmowanej przez ten oscylator);

 

– błądzenie tej "objętości własnej" (nazwijmy ją granulą) w objętości zajmowanej przez gaz.

 

Skąd to pojęcie oscylator? Ono musiało być wprowadzone do teorii, jeżeli chcemy odejść od statystyki w badaniu gazów i przejść do analizy rzeczywistych zjawisk towarzyszących każdemu składnikowi zapełniającemu badaną objętość.

 

Naturalną koleją rzeczy jest sformułowanie pytania o to, jakim musi być ruch molekuły gazu, żeby ona napełniła swoją przestrzeń energią pozwalającą utrzymywać w tej przestrzeni ciśnienie Po = 1,01325 J/m^3.

 

Jaki musi być ruch wszystkich molekuł gazu zapełniających konkretną objętość, żeby we wszystkich punktach danej objętości panowało takie samo ciśnienie?

 

Odpowiedź może być tylko jedna – posuwisto-zwrotny w objętości każdej granuli, z częstotliwością 10^12 raza na sekundę.

 

Ile wynosi ciśnienie w elementarnej objętości Vjed i w jakich jednostkach się ono mierzy?

 

Jak już pisałem, weźmiemy dla analizy ciśnienie barometryczne 1 m^3 powietrza w warunkach normalnych, które wynosi 1,01325 Pa = 1,01325 J/m^3

 

Nie sprawia trudności dostrzeżenie, że objętościowa koncentracja energii i jednostka ciśnienia Pa to tożsame jednostki:

 

J/m^3 = N*m/m^2*m = N/m^2 = Pa

 

Po = Eo/Vjed

 

Stąd Eo = Po*Vjed

 

Ponieważ objętość jednostkowa Vjed składa się z No oscylatorów (co jest równoznaczne ilości granul), to energię jednego oscylatora możemy wyliczyć z takiego równania:

 

Eo = Po* Vjed/No = Po*Vgo

 

Vgo – objętość granuli, indywidualnej objętości oscylatora.

 

Objętość oscylatora można wyznaczyć z równania:

 

Vgi = mi/ri

 

mi – masa i-tego oscylatora

 

roi – gęstość i-tego gazu

 

Dla powietrza:

 

Vgo = mpow/ropow = 4,8106712*10^-26 kg/1,2929 kg*m^-3 = 3,7208378*10^-26 m3

 

mpow – masa molekuły powietrza

 

ropow – gęstość powietrza

 

No = 1/Vgo = 2,6875667*10^25 m^-3

 

stąd

 

Eo = Po*Vgo = 3,7701389*10^-21 J

 

JEŻELI OFICJALNA FIZYKA NIE MYLI SIĘ, to taki sam rezultat powinniśmy otrzymać z równania:

 

E’o = 3/2 kT = 5,6552083*10^-21 J

 

i równania:

 

E’o = mpow*(vpow)^2/2 = 5,6552083*10^-21 J

 

gdzie:

 

vpow = (3k*T/mpow)^-1/2 = 484,88242 m*c^-1

 

Gołym okiem widać, że równania oficjalnej fizyki zawyżają rezultat w 1,5 raza.

 

Jak sobie radzi z takim problemem oficjalna fizyka?

 

Zamiata to, co jej nie pasuje pod "dywan", a tym dywanem jest następna teoria. Bardzo dobrze wyraził tą myśl jeden z profesjonalnych fizykalistów, SNAFU, w jednym ze swoich komentarzy, fragment którego cytuję:

 

Ale 5/2 w przypadku gazów o czasteczce dwuatomowej pada w konfrontacji z doświadczeniem, o ile wyjdziemy poza rejon temperatur w okolicy temperatury pokojeowej. Więc skoro "pada" w konfrontacji z eksperymentem, "pada" rowniez i taka prosciutka teoryjka, która "próbuje sprawy załatwic" tylko poprzez dodanie dwóch dalszych stopni swobody. Wyjasnienia trzeba szukac na gruncie już bardziej wyrafinowanej teorii — no i potraktowanie dwuatomowej molekuły jako "rotora kwantowego" okazuje się skutecznym lekarstwem, o ile jednak… o ile nie będzie dwóch róznych rodzajów rotorów w danym gazie! Ale i z tym podejście kwantowe potrafi sobie poradzić.