Untitled Document

Предлагая новую теорию, автор всегда должен быть готов к вопросу: - какая от этого польза? Я полностью согласен с таким вопросом. Любая теория должна приносить практическую пользу. При помощи математического метода составления физических формул, который мы сейчас пытаемся изучить, можно совершенно по-новому взглянуть на окружающий физический мир и узнать много интересного. Например, в любом справочнике вы можете найти определение удельной теплоёмкости как количества тепла, необходимого для нагревания определённой массы вещества на один градус. А мы сейчас покажем вторую, истинную суть понятия удельная теплоёмкость, которая является величиной, обратной гравитационной массе, как это записано в таблице размерностей теории пространства.
Но для начала определимся, что такое температура. Вместо существующего расплывчатого определения, что это мера кинетической энергии атомов и молекул, мы введём строгое определение, что под температурой подразумевается кинетическая энергия одного атома или молекулы вещества, Люди давно ведут исследования в области теплотехники, поэтому на основе многовековых экспериментальных данных мы можем установить, что одному градусу по шкале Кельвина или Цельсия соответствует количество тепловой энергии, равной 4140*10^-26 джоуля. Теперь вспомним формулу, которая позволяет вычислить количество тепла Q, необходимого для нагревания тела массой М от нуля градусов (по шкале Кельвина, т.е. в системе СИ) до определённой температуры Tº:

Количество тепловой энергии, содержащееся в теле, равно произведению массы тела, температуры тела и удельной теплоёмкости вещества этого тела.
Запишем формулу (9) в единицах пространства в соответствии с таблицей размерностей:

В этом уравнении несложно увидеть, что размерности в его левой и правой части совпадут (то есть и там и там получится Х^-11) только при условии, что размерность удельной теплоёмкости с будет Х⁵, т.е. величиной, обратной размерности массы, которая Х^-5. Именно так в таблице размерностей и записано. А теперь о практической стороне этого вывода. Если удельная теплоёмкость является величиной, обратной массе, то её можно вычислять не экспериментально, как это делается в большинстве случаев, а теоретически. Для этого нужно лишь знать величину массы. Возникает вопрос, какой массы? Для ответа на этот вопрос рассмотрим формулу (9) более подробно. В левой части этого уравнения мы имеем величину «количество тепла», обозначенного буквой Q. Проще говоря, это общее количество тепловой энергии, которое имеет тело массой М при данной температуре Tº.
А общая энергия является суммой энергий отдельных атомов или молекул этого тела. Если, как мы говорили, Tº - энергия одного атома, а общее количество атомов в теле мы обозначим буквой п, то общее количество тепловой энергии в теле будет:

Теперь обратимся к правой части уравнения (9). Там одним из операторов является масса тела – М. Однако масса этого тела состоит из атомов, количество которых в этом теле мы уже обозначили буквой п. Поэтому, если обозначить массу одного атома буквой м^₀, то

Теперь в уравнение (9) подставим данные уравнений (10) и (11):

Как видно, для того, чтобы равенство размерностей в девой и правой части уравнения сохранилось, необходимо, чтобы выполнялось соотношение с =1/м^₀. Вот мы и доказали, что удельная теплоёмкость не является количеством теплоты, а является величиной, обратной массе атома или молекулы. И её действительно можно вычислить по таблице Менделеева. Кстати, ещё в 19 веке были открыты законы Пти-Дюлонга и Джоуля-Коппа, где указывалось, что молярная теплоёмкость химических .элементов равна 3R, где R - газовая постоянная. Однако, однозначного вывода, что удельная теплоёмкость является не количеством тепла, а величиной, обратной гравитационной массе, сделано не было. В частном случае, когда масса и температура принимаются за единицу, как это звучит в определении удельной теплоёмкости, количество тепла, необходимого для нагрева одной единицы массы на один градус и величина, обратная массе атома или молекулы действительно совпадают, но это лишь частный случай. Тут мы опять сталкиваемся с необходимостью переходных коэффициентов, чтобы получить ответ в системе СИ. Поэтому реальная формула вычисления удельной теплоёмкости для химических элементов, указанных в таблице Менделеева и находящихся в твёрдом агрегатном состоянии, будет:

Где М – относительная атомная масса химического элемента, она указана в таблице Менделеева рядом с его порядковым номером. При использовании данной формулы ответ будет получаться в размерности кДж/кг * градус.
В таблице 3 приведены сравнительные значения удельной теплоёмкости, вычисленные экспериментально и по вышеуказанной формуле.

Таблица 3 (удельная теплоемкость «с» указана в единицах кДж/кг * градус)

Химический элемент	Экспериментально установленная величина удельной теплоемкости, указанная в справочниках	Результаты вычисления удельной теплоёмкости по формуле (12)
Алюминий	0,92	0,92
Железо	0,45	0,45
Медь	0,39	0,39
Серебро	0,23	0,23
Свинец	0,13	0,12

Данная формула (12) справедлива не только для одноатомных веществ в твердом, но и в жидком агрегатном состоянии, что читатель может проверить самостоятельно на примере ртути. Для газов и многоатомных молекул величина удельной теплоёмкости вычисляется по несколько иным формулам и с использованием других постоянных коэффициентов, значение которых зависит от агрегатного состояния вещества, температуры и его химического состава. Главным параметром, определяющем соотношение этих коэффициентов, является формула кинетической энергии атома или молекулы. Например, для классически твёрдого агрегатного состояния вещества формула такой энергии будет м^₀V², а для газов м^₀V²/2. Поэтому и коэффициент в формуле для вычисления удельной теплоёмкости одноатомных газов при постоянном объёме булет в два раза меньше, чем в формуле (12):

Для проверки справедливости этой формулы, вычислим теплоёмкость для известных газов гелий и аргон. Смотрим в таблицу Менделеева и видим, что относительная атомная масса гелия 4.0026. Подставляем это значение в формулу (13) и получаем ответ: удельная теплоёмкость гелия равна 3,11 кДж/кг*градус. Учитывая, что одна калория равна 4,184 Дж, получаем ответ в кал/грамм*градус – 0,744. Теперь смотрим в справочник (в качестве справочных материалов я использовал данные великолепной книги американских физиков К. Шварца и Т. Гольдфарба «Поиски закономерностей в физическом мире») и находим, что удельная теплоёмкость гелия действительно 0,74 кал/грамм*градус. Аналогично, для аргона мы получаем значение 0,075 кал/грамм*градус как при вычислении по формуле (13), так и при обращении к справочным данным. Теперь ещё одна очень полезная формула. С её помощью мы можем вычислить удельную теплоёмкость для многоатомных молекул химических соединений, находящихся в твёрдом или жидком агрегатном состоянии:

В этой формуле N - число атомов в молекуле, а Ммолекулы - общая относительная атомная масса молекулы. Поясним это на примере вычисления удельной теплоёмкости воды. В состав молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Значит, общее число атомов в молекуле N=3. Далее смотрим в таблицу Менделеева и вычисляем общую относительную атомную массу молекулы. Ммолекулы = 1,00794 + 1.00794 + 15.999 = 18. Подставляя эти данные в формулу (14), мы получаем, с точностью до десятых, значение 4,2 кДж/кг*градус. Те же данные, полученные экспериментальным путём, вы можете увидеть в любом справочнике. При практическом использовании этой формулы необходимо помнить, что некоторые химические соединения, особенно оксиды, при высоких температурах поглащают энергию для перехода из одной кристаллической модифиуации в другую. Это, так называемые, фазовые переходы второго рода. Что-то похожее наблюдается и в области сверхнизких температур. Температурные пороги этих переходов для каждого химического соединения нужно знать, ибо при этих температурах наши формулы не работают. Следующая формула позволяет вычислить удельную теплоёмкость для многоатомных газов. Она похожа на предыдущую и отличается лишь значением коэффициента:

Сравнивая справочные данные удельной теплоёмкости для многоатомных газов, я столкнулся с большим разбросом публикуемых данных. В единицах кал/грамм*градус (при постоянном объёме) американские источники для водорода дают величину 2,44, наши справочники - 3,3. При вычислении по формуле (15) мы получаем 2.96. Для кислорода американцы дают 0,16, наши - 0,21. При вычислении по формуле (15) мы получаем 0,186. В любом случае мы попадаем в золотую середину и это можно считать попаданием "в яблочко". Удельная теплоёмкость подавляющего количества химических элементов и их соединений точно следует вышеуказанным формулам. Но нет правил без исключений. Остановимся на самых интересных из них. Например, алмаз, то есть одна из аллотропных форм углерода, который находится, вроде бы в твёрдом агрегатном состоянии, имеет коэффициент ровно в четыре раза меньший, чем тот, который мы определили для твёрдого агрегатного состояния в формуле (12). Получается, что формула кинетической энергии атома углерода в алмазе м^₀V²/4. Это что, неизвестное агрегатное состояние вещества? Ответа пока нет. А лёд вообще ведёт себя наоборот. Коэффициент для льда такой же, как и для газов. Похоже, агрегатных состояний вещества бесконечное множество, а не четыре, как это предполагает современная наука. Объяснение этих феноменов - дело будущего, а пока, имея в своём распоряжении такой математический аппарат, мы можем заглянуть за горизонт. Например, водород в твёрдом агрегатном состоянии ещё только начинают получать. Количество полученных образцов настолько мало, что не позволяет вычислить его удельную теплоёмкость. Учитывая специфичесие условия хранения твёрдого водорода, можно представить, во сколько обойдётся эксперимент по вычислению его удельной теплоёмксти. Предполагая, что водород всё-таки ведёт себя по классическим законам, мы это сейчас сделаем теоретически и для этого нам понадобится ровно 2 минуты. Смотрим в таблицу Менделеева и находим, что его относительная атомная масса 1.00794. Включаем калькулятор и пользуемся формулой (12). Получаем величину удельной теплоёмкости твёрдого водорода равную 24.7475 кДж/кг * градус.

Глава 5. Взгляд за горизонт