filozofia obiectuala

X.24.6 Fotonii termici şi energia termică

Cum ciocnirea a doar doi atomi, aşa cum am văzut mai sus, duce la emisia simultană a mai multor fotoni, dar cu energii şi direcţii diferite[1], în cazul unor mulţimi de atomi ce formează un MN şi în care parametrii de ciocnire şi energiile respective pot avea o distribuţie continuă, este foarte evident că şi distribuţia energiilor (deci a frecvenţelor) fotonilor termici va fi şi ea continuă, dar neuniformă.

Să fie clar de la bun început, fotonii termici nu se deosebesc ca model de alţi fotoni[2] decât prin modul lor de producere, şi ca urmare a acestui mod, prin tipul de distribuţie frecvenţială pe care îl au atunci când ei formează un mediu fotonic - distribuţia Plank. În rest, unul din atributele specifice clasei fotonilor - secţiunea efectivă constantă - este valabil şi pentru fotonii termici. Am văzut în paragraful anterior că această secţiune efectivă este cel mult egală (posibil mult mai mică) cu secţiunea transversală a volumului în care se încadrează radiatorul (pentru fotonii termici atomici, radiatorul este un cuplu {p,e}, unde protonul face parte din nucleu iar electronul face parte din mediul electronic periferic). Această secţiune efectivă fiind atât de mică, rezultă că un foton emis dintr-un atom se poate propaga prin spaţiul interstiţial dintre atomii unui MN, până la absorbţia sa şi reemisia altui foton de către un electron periferic întâlnit pe drum. Deoarece există motive să credem că fotonii interacţionează slab între ei[3], rezultă că mulţimea fotonilor termici existenţi simultan în spaţiul interstiţial al unui mediu atomic sau molecular formează un mediu G[4]. Ei bine, energia conţinută (distribuită) exclusiv în acest mediu fotonic este considerată în filosofia obiectuală energie termică.

 

Definiţia X.24.6.1: Energia distribuită pe mediul G al fotonilor termici existenţi în spaţiul interstiţial al unui mediu atomic sau molecular dat se numeşte energie termică (sinonim căldură) conţinută în respectivul mediu.

 

Comentariul X.24.6.1: Definiţia X.24.6.1 înseamnă o disociere clară faţă de definiţia căldurii din manualele actuale de fizică, disociere impusă de analiza obiectuală a celor două forme de energie: barică[5] şi termică. Dacă în viziunea clasică (cea din manuale) energia termică a unui mediu însemna tot energie cinetică a atomilor sau moleculelor dar defalcată pe gradele de libertate, în viziunea obiectuală cele două forme de energie sunt separate clar, ele fiind distribuţii ale aceluiaşi atribut - energia - dar cu SM purtătoare total diferite. Energia cinetică a atomilor (barică) are ca purtători mulţimea fluxurilor cinetice ale atomilor şi ca atribut global scalarizat presiunea, iar energia termică are ca purtători mulţimea fotonilor termici interstiţiali, iar ca atribut global temperatura. Este evident că această viziune asupra energiei termice nu putea fi concepută decât în strânsă legătură cu caracterul izotom al FE fotonic, cu stabilirea unei valori maximale pentru secţiunea lor efectivă (care permite propagarea lor în spaţiul interstiţial dintre atomi), cu faptul că interacţiunile dintre PE atomice trebuie să fie sincrone, de aici rezultănd posibilitatea emiterii fotonilor prin simpla ciocnire dintre atomi ş.a.m.d.

 

Definiţia X.24.6.1 este consistentă în special cu procesele de transmitere a căldurii (fluxurile termice), procese reale, care experimental au fost clasate în trei categorii[6]: radiaţie, conducţie şi convecţie. Să analizăm puţin mai în detaliu aceste procese de transfer caloric, prin prisma categoriilor de fluxuri discutate în cap. 5.

1)   Radiaţia este un proces de transmitere a căldurii al cărui suport (elementele fluxului) sunt recunoscute chiar de fizica actuală a fi fotoni termici, adică nu există niciun flux de atomi sau molecule pe traseul fluxului. Bine stimate cititor, dar noi am văzut că un flux înseamnă transferul unei mărimi, dar mărimea de transmis trebuie să aibă şi un suport material (obiectele ce deţin proprietatea). Dacă suportul energiei termice ar fi tot atomii (cu energiile lor pe grade de libertate) cum ar mai putea fi transmisă căldura fără atomii suport? Această contradicţie flagrantă trecută sub tăcere în manuale a fost punctul de plecare al redefinirii energiei termice.

2)   Conducţia este un proces de transmitere a căldurii similar propagării, adică tot fără a exista fluxuri coerente de atomi sau molecule pe direcţia fluxului termic. Aici s-ar putea argumenta că mişcările de translaţie/vibraţie ale elementelor mediului atomic (simbolizate de aşa numiţii “fononi”) sunt transmisibile, similar cu undele acustice, ceea ce este foarte adevărat, numai că perturbaţiile acestor mişcări se transmit cu viteza de propagare a sunetului prin mediul respectiv, în timp ce transmisia căldurii se face cu mult mai încet. Dacă ţinem cont de cele spuse mai sus, rezultă şi motivul acestei viteze reduse de transmitere: mediul fotonilor termici este obligat să difuzeze prin spaţiul interstiţial dintre atomi, adică este supus la numeroase absorbţii şi reemiteri[7], cu numeroase schimbări de direcţie şi inevitabilele pierderi de energie. Or se ştie că difuzia este mult mai lentă decât propagarea.

3)   Convecţia ca ultim tip de flux termic diferă de celelalte două prin faptul că există un flux coerent de atomi (molecule) într-o anumită direcţie, flux ce transportă căldura mult mai eficient şi mai repede decât conducţia. Din p.d.v al acestei lucrări, acest tip de flux nu înseamnă altceva decât mişcarea mediului în ansamblul său, adică cu tot cu mediul fotonilor interstiţiali, în acest fel, la viteza de difuzie adăugându-se componenta coerentă de deplasare, mediul fotonilor termici având şi el aceeaşi componentă comună (coerentă) pe direcţia de curgere.

Am văzut până aici că fotonii termici pot ajunge într-o anumită zonă a unui mediu atomic sau molecular fie datorită producerii locale (prin interacţiunile mecanice dintre elementele MN aflate în respectiva zonă), fie prin fluxurile termice ajunse în zona respectivă, fluxuri provenite din altă parte (prin cele trei tipuri de fluxuri discutate mai sus).

Definiţia X.24.6.2: Energia termică asociată mediului fotonilor termici produşi exclusiv prin interacţiunea directă (cinetică) dintre atomii sau moleculele unui mediu se numeşte contribuţia termică a mediului respectiv.

 

Sublinierea din definiţia X.24.6.2 are rostul să atragă atenţia asupra faptului că fotonii termici existenţi la un moment dat într-un mediu pot proveni fie din exterior (caz în care ei sunt produşi în altă parte, la producerea lor mediul n-a contribuit cu nimic), fie din interiorul mediului prin interacţiunile repetate dintre elemente, caz în care energia lor constituie contribuţia termică a mediului. De exemplu încălzirea unui gaz prin comprimare, fără aport extern de căldură şi fără pierderi (comprimare adiabatică), are loc numai pe baza contribuţiei termice a mediului respectiv. Evident, procesul nu ar putea avea loc fără FE exterior care produce comprimarea (mişcarea pistonului), dar acest flux extern nu este termic ci cinetic (transferul de căldură dintre fluxul cinetic - pistonul care se mişcă – şi mediul comprimat poate fi neglijat deoarece înainte de comprimare pistonul îl putem considera în echilibru termic cu mediul).

Există o deosebire majoră între energia termică datorată contribuţiei termice a mediului şi cea datorată unor fluxuri externe de fotoni termici (surse externe de căldură), deosebire nu în privinţa mediului purtător sau a procesului generator, ci în privinţa vitezei de transfer a acestei energii în volumul ocupat de mediu. Dacă fluxul termic extern se transmite elementelor mediului prin difuzie (în cazul conducţiei termice), proces foarte lent, fluxul termic generat prin contribuţia termică (datorată variaţiilor de presiune) se transmite cu o viteză de acelaşi ordin de mărime cu viteza de propagare a variaţiilor de presiune (viteza sunetului) în respectivul mediu. Cu alte cuvinte, variaţiile de temperatură datorate variaţiilor de presiune sunt cu mult mai rapide faţă de variaţiile de temperatură datorate conducţiei termice.

 

Comentariul X.24.6.2: Conceptul de contribuţie termică a unui MN, introdus de filosofia obiectuală este deosebit de util pentru înţelegerea coerentă (logică) a unor procese din lumea reală, procese pentru care ştiinţa actuală are anumite explicaţii cu care prezenta lucrare nu este de acord. Totul porneşte de la separarea netă introdusă de filosofia obiectuală dintre energia termică, ce are ca purtători (obiecte materiale suport) exclusiv fotonii termici, şi energia barică, ce are ca purtători PE, NE, NC, AT, MO etc. adică SM cu masă de repaos (cu “greutate”). Ambele “forme” de energie sunt distribuite pe nişte fluxuri materiale stocastice ce se întrepătrund (îşi dispută acelaşi domeniu spaţial) şi care, din acest motiv, se află într-un proces de strânsă interacţiune. Existând două medii distincte, există şi doi parametri diferiţi ce caracterizează starea energetică a celor două medii: temperatura pentru mediul fotonic şi presiunea pentru mediul baric. Pentru un anumit tip de MN, format din acelaşi tip de atomi, în condiţii de echilibru, în care FE recirculate între mediul atomic şi cel fotonic sunt egale (şi de sens contrar) şi nu există schimb de energie cu exteriorul, la o anumită valoare a paramertului temperatură, va corespunde o anumită valoare a parametrului presiune. Existenţa procesului de interacţiune dintre mediul fotonic şi cel baric face ca şi între temperatură şi presiune să existe o relaţie de interdependenţă (cum ar fi de exemplu legea gazelor perfecte pentru mediile G atomice despre care vom discuta mai încolo). Ca urmare a interdependenţei dintre temperatura şi presiunea unui mediu, o variaţie adiabatică de presiune duce la o variaţie cu acelaşi sens a temperaturii, variaţie mult mai rapidă decât variaţiile de temperatură obţinute prin transfer de căldură (aport de fotoni termici din exterior). Acest salt de temperatură ce reflectă un salt al energiei termice conţinute în mediul fotonic, se obţine tocmai prin contribuţia termică a mediului baric, adică generarea de fotoni termici prin excitarea mecanică a PE periferice. Procesul de interdependenţă dintre presiune şi temperatură este evident în ambele sensuri ale variaţiilor de presiune. Topirea instantanee a meteoriţilor la impactul cu suprafaţa solidă a unei planete, autoaprinderea amestecului combustibil prin comprimarea rapidă în motoarele Diesel, sudarea metalelor prin unda de şoc produsă de o explozie, sunt doar câteva din exemplele ce dovedesc creşterea rapidă de temperatură (fără aport termic extern) provocată de o creştere rapidă de presiune. Un caz aparte din aceeaşi categorie îl constituie creşterile enorme ale temperaturii în cazul cavitaţiei (implozia unor cavităţi formate temporar în mediile LA), creşteri care pot atinge 104 K şi determină aşa numita sonoluminiscenţă, sau în anumite cazuri chiar 106 K, temperaturi la care încep procesele de disociere nucleară[8]. Într-un mediu G sau L aflat în echilibru termic, dacă provocăm un flux coerent (un curent) de fluid, în zona aflată în mişcare presiunea statică (generatoare de contribuţie termică) va fi mai redusă, ca urmare şi temperatura în această zonă va fi mai mică. Putem constata acest lucru suflând cu putere asupra uneia din propriile mâini; în zona aflată sub incidenţa fluxului de aer vom simţi imediat senzaţia de rece. Pentru acest fapt, în şcoală vi se dă o explicaţie hazlie: scăderea temperaturii se datorează evaporării apei aflate la suprafaţa pielii. Dar stimate cititor, încercaţi acelaşi experiment trăgându-vă pe mâna respectivă o pungă de plastic subţire şi uscată, astfel încât evaporarea apei iese din discuţie. Veţi constata aceeaşi scădere a temperaturii în zona fluxului de aer, scădere proporţională cu intensitatea fluxului.

 

La finalul acestui paragraf să recapitulăm ipotezele care au dus la modelul adoptat de filosofia obiectuală pentru energia termică:

1)   Modelul fotonului ca FE cu secţiune efectivă invariantă, egală sau mai mică decât aria transversală a volumului în care se înscrie orbitalul PE generatoare.

2)   Generarea unor fotoni de către electronii periferici atomici prin tranziţii de emisie (de revenire în starea fundamentală) ce urmează unor tranziţii de absorbţie prin excitare mecanică, adică tranziţia de absorbţie are loc în urma incidenţei pe pătura electronică periferică a unor fluxuri cinetice ale atomilor (sau electronilor de conducţie) vecini (fluxuri T, R sau T+R). Deoarece parametrii de incidenţă pot avea orice valoare, şi fotonii produşi vor avea energiile (deci frecvenţele) continuu dar neuniform distribuite. Acest tip de fotoni sunt fotonii termici, cu o distribuţie energetică frecvenţială specifică - distribuţia Plank.

3)   Ca urmare a faptului că secţiunea efectivă a fotonilor (inclusiv a celor termici) este atât de mică, există posibilitatea ca ei să se propage prin spaţiul interstiţial dintre atomii unui mediu (chiar dacă acest spaţiu este redus cum ar fi în cazul mediilor de tip S sau L). Aşadar spaţiul de existenţă şi de propagare al fotonilor termici este spaţiul interstiţial al mediului atomic (sau molecular), mulţimea fotonilor termici existenţi la un moment dat în acest spaţiu fiind mulţimea elementelor suport (purtătoare) a energiei termice din mediul atomic respectiv.

 



[1] Energii şi direcţii ce corespund tuturor electronilor (şi OS pe care aceştia se află) perturbaţi din starea fundamentală de către fluxul cinetic extern.

[2] Cum ar fi de exemplu cei monocromatici, produşi într-un laser.

[3] Datorită închiderii laterale, închidere care limitează foarte mult fluxul pe direcţia normală la traiectorie; iar unde nu este flux nu este nici interacţiune.

[4] Cu toate atributele caracterstice unui asemenea mediu cum ar fi drumul liber mijlociu, menţinerea forţată, compresibilitate ridicată etc.

[5] Introducem termenul de energie barică pentru energia cinetică T distribuită pe mulţimea atomilor sau moleculelor unui mediu, energie ce are ca atribut global caracteristic presiunea.

[6] Mai există o categorie de proces termic - tranziţia de fază - dar pe care nu-l analizăm momentan deoarece este mai complicat şi nu este important pentru scopul acestui paragraf.

[7] Am văzut în paragrafele anterioare că fiecare fază de stocare a unui foton absorbit are o durată finită şi dependentă de tipul orbitalului excitat. Dacă ţinem cont că toate aceste durate se însumează în procesul de propagare a fluxului fotonic prin interstiţiile mediului atomic, rezultă clar de ce difuzia acestui flux este atât de lentă.

[8] R.P. Taleyarkhan et al. - Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation, Science 295 (2002)

Copyright © 2006-2008 Aurel Rusu. All rights reserved.