3. Решение задачи.
3.1. Теория теплового заряда.
3.1.1. История теории теплового заряда.
Вначале была поставлена задача объяснить природу эмпирического эмиссионного уравнения. Его можно было получить опытным путём, изучая вольт-амперные характеристики полупроводникового диода в зависимости от температуры. Таким же по форме эмпирическим уравнением описывались и вольт-амперные характеристики вакуумного диода с вольфрамовым катодом в зависимости от температуры катода. В том и другом случае уравнение имело вид:
.
(3.1.1.,01)
Выражение
означает, что перед логарифмированием, измеряемый ток следует разделить на единицу измерения, в данном случае: 1 Ампер.
Современная физика ничего не сообщала о таком виде потенциала как произведение температуры на напряжение. Чтобы решить задачу, требовался новый взгляд на физические законы. Интуиция подсказывала, что температура является потенциалом, потому что она умножается на другой потенциал – электрическое напряжение. О том, что температура потенциал - сообщали книги по физике теплопроводности. Но сама термодинамика была до крайности запутанной. Я искал решение этой задачи в интернете – на сайтах физиков, которые предлагали теорию теплового заряда. Многие из них сообщали о трудностях при переходе на эту теорию.
Первый, кто предлагал теорию теплового заряда, был советский физик А. И. Вейник. В его книге «Термодинамическая пара» очень много интересных идей. Он поставил опыт с нагретыми катодом и анодом в электровакуумном диоде, но у него не было эмпирического эмиссионного уравнения, для которого надо было найти решение.
Другой физик, который искал истину – И. Ш. Коган. На его сайте давалась информация о системе физических единиц. Рассматривая термодинамику, он затронул проблему теплового заряда и пришёл к выводу, что теория теплового заряда в термодинамике необходима. Он принял систему теплового заряда такой, как предлагал её А.И. Вейник. Кроме И. Ш. Когана, такую же систему теплового заряда предлагал Д. С. Ермолаев. На его сайте можно было найти новую единицу теплового заряда 1 Ер
По-другому рассматривал проблему теплового заряда И. Г. Львов. И. Г. Львов предлагал считать тепловым зарядом рассматриваемую в современной физике «энергию».
Я обычно решаю задачи опытным путём, потому, после того, как я заинтересовался термодинамикой, с 2011 года я начал ставить простые опыты с теплопередачей. В основном это были опыты с фиксированием на электронный самописец закона Ньютона-Рихмана.
2013 году мои термодинамические исследования начались в феврале и закончились в начале мая – столько много времени требовали опыты с теплопередачей. В апреле 2013-го года мне, наконец, повезло. Мне удалось найти взаимосвязь между электрическими и тепловыми явлениями. Такие опыты в физике известны давно, и в основном, они определяют принцип действия термодинамического прибора – калориметра.
3.1.2. Опыт, показывающий связь между электрическими и тепловыми явлениями.
Описание опыта:
Стеклянный термос, ёмкостью 0,3 литра, закрывается пробкой.
Через отверстие в пробке пропускаются провода термопары и мощного резистора. Термопара и мощный резистор находятся внутри термоса, почти на самом дне. Термопара предназначена для измерения температуры прибором-самописцем температуры APPA-109N. Эта термопара входит в комплект прибора APPA-109N.
Резистор номиналом 5,1 Ом и мощностью 3 Ватта предназначен для нагревания среды внутри термоса. В качестве среды нагревания, в термосе используется масло, которое предназначено для вакуумных насосов «Мультивак». В термос заливается 61 грамм масла. Опыт с нагреванием среды в термосе проводится в течение 2,5 суток, потому прибор APPA-109 N обеспечивается батареями питания повышенной ёмкости. Самописец APPA-109N пишет параметр – температуру с шагом во времени 30 секунд. Самописец имеет ёмкость памяти – 6000 измерений. По истечении 2,5 суток, в термосе устанавливается тепловое равновесие и регистрируется температура, близкая к стабильной.
Дадим определение опорной температуре:
Источник тепла располагаем во внутренней термодинамической системе. Сама внутренняя термодинамическая система имеет границы и располагается во внешней термодинамической системе – в какой-либо окружающей среде.
Температура, которая образуется во внутренней термодинамической системе в результате взаимодействия источника тепла и окружающей среды (внешней термодинамической системы) называется опорной температурой.
Обозначим эту температуру как TO – температура объекта.
В процессе измерения, также приборами фиксируем следующие параметры:
Электронным термометром TM-977 фиксируем температуру окружающей среды: температуру в комнате, вдали от источников тепла. Мультиметром MY-68 измеряем ток через резистор.
Другим мультиметром MY-68 напряжение на выводах резистора.
Резистор запитывается от регулируемого источника постоянного тока GSV-1200.
Одну точку измерения мы получаем через 2,5 дня нагревания среды.
Температурный напор и электрическое напряжение будем обозначать со знаком Δ, чтобы показать, что это разность тепловых и электрических потенциалов. Задача эксперимента: установить функциональную взаимосвязь между параметром
P – мощность протекающего тока через резистор, и параметром
ΔT = TO – TC
где TC - это температура окружающей среды (комнатная температура), I - ток через резистор, ΔU - напряжение на резисторе.
В процессе измерений, была получена следующая таблица:
IR |
UR |
TO |
TC |
100 мА |
0,557 В |
31,8 |
23,5 |
200 мА |
1,079 В |
46,6 |
23,3 |
300 мА |
1,617 В |
71,1 |
23,6 |
350 мА |
1,901 В |
86,4 |
23,4 |
Таблица 3.
Температура в таблице 3 измерялась в градусах по Цельсию.
P |
UR2 |
ΔT |
0,0557 Ватт |
0,310249 |
8,3 |
0,2158 Ватт |
1,164241 |
23,3 |
0,4851 Ватт |
2,614689 |
47,5 |
0,66535 Ватт |
3,613801 |
63 |
Таблица 4.
В таблице 4 получим расчётные величины.
По таблице 4 построим график ΔT и ΔU2 в зависимости от мощности на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Отдельными точками обозначены экспериментальные данные
ΔT, отдельными точками обозначены экспериментальные данные для ΔU2.
На графике также построены две математические модели: для
ΔT и для ΔU2. На оси ординаты цифрами 1, 2, 3 обозначены деления для функции ΔU2.
Пропорциональность между ΔT и мощностью ( тепловым током) P, выражается при помощи закона Фурье. Параметр теплового сопротивления определяется следующим выражением (законом Фурье):
Единица измерения теплового сопротивления:
1 Кельвин
1 тепловой Ом = ------------
1 Ватт
Подобие тепловых и электрических процессов определяется сравниванием их потенциалов в T и U. На примере закона Фурье (см. рис. 3.1.) видно, что T пропорционально U2. Пусть:
(3.1.2.,01)
(3.1.2.,02)
Отсюда следует соотношение для закона Фурье:
∆T K1
---- = ----- = L
∆U2 K2
Отсюда:
∆T = ∆U2 ∙ L (3.1.2.,03)
Единица для мощности P – Ватт. Мощность P также является параметром теплового тока, так, как определяется размерностью:
(3.1.2.,04)
где
E – тепловой заряд, измеряемый в Джоулях,
τ - время в секундах.