1. Закон Ньютона-Рихмана.
С изобретением термометра, исследователи сразу же занялись изучением остывания тел. Остывание тел происходило с течением времени, поэтому на «графике остывания» на оси абсцисс указывалось истекшее время, на оси ординат ставились точки температуры остывающего тела.
В Англии такие опыты проводил Ньютон, в России – Рихман.
Было замечено, что «график остывания» был связан с числами Непера – логарифмами. Точнее можно было сказать: «график остывания» представлял собой падающую экспоненту.
И возникал вопрос: график имеющий вид экспоненты – это закон или существуют исключения?
Ньютон и Рихман определили данное явление как закон. И сегодня в физике существует «закон Ньютона-Рихмана».
И всё-таки странный этот закон. Он приоткрывает нам некую тайну о «времени» как физическом параметре.
В начале 20-го века появилась квантовая механика, которая очень пренебрежительно отнеслась к «классике» в физике. Создатели КМ переписали на свой лад практически все законы, предоставив на обзор: вот тут была классика, а вот тут наш, более правильный «авангард», но закон Ньтона-Рихмана обошла стороной. Почему отцы-основатели КМ не стали трогать закон об остывании тел?
Почему иногда закон Ньютона-Рихмана называют эмпирическим? Ведь закон Фурье о движении тепла или закон Ома о движении электричества эмпирическими не называют, а закон Ньтона –Рихмана для кого-то магически-эмпирический? Может: мы мало знаем об этом законе? Скорее всего: достаточно. Но знания не приведены в стройную систему. Ведь если мы приведём знания в стройную систему, мы можем понять многое об устройстве мира, и тогда квантовая механика станет, попросту не нужна.
1.1. Закон Ньютона-Рихмана. Направление процесса: остывание тела.
Я поставил простой опыт: в стеклянную банку с крышкой я набрал горячей воды с начальной температурой 90,8 градусов по Цельсию. Банка из тонкого стекла диаметром 9 см. Высота банки 6,9 см. В крышке банки предварительно сверлится отверстие, куда помещается термопара электронного прибора-самописца APPA-109N. Самописец настроен так, что производит измерение температуры через каждые 10 секунд. Самописец может произвести 6000 измерений. Термопара в резиновой изоляции, потому не имеет электрического контакта с водой в банке. Банка подвешивается за крышку посреди комнаты. Измеряется температура в комнате: 27,5 градусов по Цельсию. Включается электронный самописец, и банка остывает в течение нескольких часов. Электронный самописец фиксирует прошедшее время и температуру воды в банке. Это опыт на остывание воды в банке, для демонстрации закона Ньютона-Рихмана. Результаты опыта мы получаем в виде графика на рисунке 1.1.
Рис. 1.1. График остывания воды в банке в зависимости от времени.
Графиком опыта является падающая экспонента, смещённая на +27,5 градусов выше оси ординат. В данном случае 27,5 градусов – это опорная температура, или температура среды: комнатная температура. Для того, чтобы доказать экспоненциальность графика, следует построить график экспериментальных данных в полулогарифмическом масштабе, преобразовав шкалу ординат согласно уравнению:
(1.01)
На рисунке 1.2 построен график экспериментальных данных в полулогарифмическом масштабе.
Рис. 1.2. График остывания воды в банке в зависимости от времени в полулогарифмическом масштабе.
На рисунке 1.2. имеется линейный участок, который соответствует закону Ньютона-Рихмана. Нелинейность отрицательных значений графика может быть объяснена малой точность измерителя при измерении малых долей градуса. Кроме того, комнатная температура (опорная температура) может незначительно изменяться. Для более точных опытов, комнату следует заменить высокоточным термостатом с большой теплоёмкостью.