О другой интерпретации температуры
Температура была одной из первых измеряемых физических величин. Первые приборы, используемые для ее измерения, говорят о разных физических представлениях этой величины, что сохранилось до сих пор. В настоящее время температура является основной характеристикой любой системы. Но свойства системы могут быть двух типов – экстенсивные и интенсивные. Значения интенсивных свойств одинаковы у всей системы. Значения экстенсивных свойств определяются суммой значений ее составных частей. Быть одновременно интенсивным и экстенсивным свойством системы невозможно. Обычно температура считается интенсивным свойством системы, что предполагает ее постоянство во всех точках рассматриваемой системы. Равенство температуры в двух системах говорит о тепловом равновесии этих систем. С другой стороны на основании уравнения Менделеева – Клапейрона отдельным молекулам приписывается температура Е=3/2кТ, где Е – энергия молекулы; к - константа Больцмана; Т - температура. Это может быть только у экстенсивных свойств системы, так как энергия всей системы равна сумме энергий ее отдельных составных частей, т.е. молекул. Это означает, что температура должна быть также экстенсивным свойством, чего не должно быть. Возможно это связано с уравнением Менделеева – Клапейрона, которое, как оказалось, уравнивает вектор со скаляром, чего тоже не должно быть. Поэтому появление температуры в выражении для энергии молекулы не должно удивлять. Но ее присутствие там противоречит также ряду постулатов квантовой механики, в частности, принципу неопределенности Гейзенберга. Понятие температура возникло раньше понятия энергия. Как оказалось, эти две величины изменяются симбатно. При увеличении энергии системы ее температура возрастает, при уменьшении энергии температура падает. Эти две величины просто дублируют друг друга. В настоящее время температуру стали отождествлять с тепловой энергией. Это означает, что скоро о температуре можно будет забыть навсегда. Это и произошло в квантовой механике. Ни в уравнении Шредингера, ни в прочих уравнениях квантовой механики вы не встретите температуру. Она там попросту не нужна. Нужно знать лишь возможные энергетические состояния системы. Формула Е=3/2кТ получена в классической физике и никак не согласуется с квантовой механикой. В квантовой механике рассчитываются энергетические состояния многоэлектронного атома. Далее происходит заполнение этих состояний электронами в соответствии с определенными правилами. Одно из правил гласит: электроны заполняют орбитали в порядке увеличения энергии орбиталей. Каждая орбиталь заполняется двумя электронами с противоположными спинами. В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел. Согласно определению, атом с полностью заполненными орбиталями имеет нулевую энергию. Такое состояние атома считается основным, и в нем атом может находиться бесконечно долго в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга. При действии кванта света или столкновений с другими атомами внешние электроны основного состояния переходят в более высокое энергетическое состояние. В этом состоянии возбужденный атом находится около 10-7 с. Затем возбужденный атом возвращается в исходное состояние. Затем все может повториться, но возбужденное состояние может быть и другими в соответствии с правилами отбора. И эти процессы будут протекать бесконечно. Но, тем не менее, большую часть времени атом будет находиться в основном состоянии. Энергия системы из многоэлектронных атомов рассчитывается как сумма произведений числа возбужденных атомов на данный момент времени на их энергию возбуждения. Эта сумма будет практически неизменной для системы с большим количеством атомов (порядка 1 моль), что ограничивает область применения понятия температура Если система получает энергию, то она будет запасаться за счет увеличения количества возбужденных атомов и переходов внешних электронов в еще более высокие энергетические состояния. В изложенном здесь подходе квантовой механики не встречается температура. Это еще раз говорит о том, что уравнение Менделеева – Клапейрона, полученное на основе представлений классической физики, не годится для описания поведения микрочастиц. Нельзя связывать энергию микрочастицы с температурой. Энергия микрочастицы определяется правилами отбора. У химических элементов разное число электронов. Следовательно, разная энергия основного состояния и разные правила отбора. Это означает, что создать единую шкалу температуры нельзя. Зная энергетические состояния системы, можно предсказать ее поведение в тех или иных условиях. Попробую это показать на примере фазовых состояний однокомпонентных систем. Согласно правилу фаз Гиббса эти системы могут существовать в виде трех фаз: твердая, жидкая и газообразная. На мой взгляд, твердая фаза – это наиболее низкое энергетическое состояние однокомпонентной системы. В твердом состоянии есть достаточно прочные межмолекулярные связи. Поэтому это состояние характеризуется таким параметром как объем. В этом случае объем обозначен также внешними поверхностями самой фазы. Говорить об объеме атома бессмысленно, так как микрочастицы обладают волновыми свойствами. Еще никому не удалось определить объем волны. Таким образом, объем – это свойство большого коллектива частиц (порядка 1 моль). Следующее энергетическое состояние однокомпонентной системы – это жидкая фаза. Здесь количество межмолекулярных связей гораздо меньше, чем в твердой фазе. Основное свойство жидкой фазы – это ее текучесть. В свободном состоянии на ровной горизонтальной поверхности она растекается, образуя слои разной толщины и формы. Это могут быть даже монослои. Как описать поведение жидкостей в свободном состоянии? Можно ли считать монослой имеющим объем или здесь уместно говорить о площади поверхности? Ясного ответа на эти вопросы пока не существует. Но избежать растекания жидкости можно, поместив ее в контейнер. В таких суровых условиях ее объем можно даже измерить. Но в таком случае граничные поверхности жидкости ей не принадлежат. К тому же объем жидкости может самопроизвольно изменяться за счет испарения. Приведенный пример показывает, что контейнер не может правильно описать поведение фазы в свободном состоянии. Правильное сравнение свойств твердой, жидкой и газовой фаз однокомпонентной системы возможно, если сравнение производится для свободного состояния фаз. И наконец, наиболее высокое энергетическое состояние – это газовое состояние. Здесь нет межмолекулярных связей, и потому газам присуща высокая рассеивающая способность. Это означает, что в свободном состоянии газы непрерывно перемещаются по всевозможным направлениям, так что их концентрация в облаке рассеяния падает практически до нуля. Определить объем рассеянного облака невозможно, также как и давление рассеянного газа. Поэтому все эксперименты с газами выполняют в контейнерах, которые оказывают свое влияние на результаты экспериментов. Часто это влияние никак не учитывается. Так уравнение Менделеева – Клапейрона к газам в свободном состоянии неприменимо, но оно применимо к газам в контейнерах.
Все о чем здесь говорилось давно известно. Квантовой механике понятие температура не требуется, классическая физика до сих пор использует это понятие, но и она могла бы обойтись без него. Вызвано это тем, что с помощью температуры легко измерить передаваемую тепловую энергию. Передаваемая энергия может вызывать самые разнообразные изменения в макросистеме, по которым можно ее вычислить. Обычно это двухэтапный процесс. Сперва по изменениям параметров системы определяется изменение температуры, а затем по изменению температуры рассчитывается изменение энергии. В одно действие определять энергию пока не получается, хотя это возможно. Для этого нужно считать энергию функцией параметров системы и найти экспериментально эту зависимость. Но пока желающих это сделать не нашлось.
Напоследок, простая задача для желающих. Можно ли использовать уравнение Менделеева – Клапейрона для определения состояния идеального газа? В уравнении Менделеева – Клапейрона PV=nRT величина n обозначает количество вещества газа. По определению количество вещества любого реального газа определяется по формуле m/M=n, где m - масса газа, а М – молярная масса газа. Молярная масса определяется по формуле молекулы газа. Но для идеального газа формула молекулы газа есть величина неопределенная. Поэтому использовать это уравнение, выведенное с помощью представлений об идеальном газе, для описания состояния самого идеального газа, нельзя в силу указанной выше причины. Подумайте, как все же удалось получить уравнение Менделеева – Клапейрона?