Наверное читатели, интересующиеся физикой и смежными науками, уже привыкли, что если появляется имя "Эйнштейн", то вся привычная теория трещит по швам или переворачивается с ног на голову. Так было буквально со всеми направлениями, за которые брался великий ученый.
Мало кто знает, что Альберт Эйнштейн успел поработать ещё и в направлении теплофизики. Он запомнился скорее как автор теории относительности (смысл которой, кстати говоря, большинство тоже не помнят 😁)...Но в случае его теплофизических работ весь мир полностью не переворачивался. Заслуживает внимания специфическое описание механизма формирования удельной теплоёмкости по-Эйнштейновски.
Итак, в привычном школьном изложении удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус.
Это важное свойство материалов, поскольку оно определяет, какое количество тепловой энергии объект может запасти.
Например, чугунная болванка обладает большой теплоемкостью. Её нужно долго нагревать до ожидаемой температуры, а потом она будет остывать длительное время. Поэтому, раньше радиаторы батарей отопления делали именно чугунными. По этой логике теплоемкость напоминает собой объем банки или канистры, но внутри канистры будет не жидкость, а тепловая энергия.
Причина существования теплоёмкости в стандартном (школьном и институтском представлениях) очень простая. Все частицы находятся в непрерывном тепловом движении. Количество этого движения (уже как Ньютоны говорим 😉) определяется количеством внутренней энергии. Внутренняя энергия напрямую зависит от температуры. В итоге если мы раскаляем утюг на костре, то мы сообщаем посредством нагрева некоторое количество тепловой энергии частицам утюга и они начинают интенсивно двигаться.
Вот только движение это не совсем простое и очевидное. Это не какое-нибудь спонтанное перемещение, как можно предположить из учебника. Оно строго детерминировано. Если же сюда приплести логику квантования, то получится совсем новая модель. Такой подход позволит объяснить расхождения между теорией того времени и получаемыми экспериментальными результатами для разных образцов. Например, можно попытаться ответить на вопрос как у разных тел при разной температуре может варьироваться теплоёмкость. Это и пытался описать Альберт Эйнштейн, используя логику квантования.
Специфическая теория Эйнштейна об удельной теплоемкости твердого тела предложена в 1906 году. Не скажу, что она принципиально меняет подход к логике этого явления. Эйнштейн предположил, что твердое тело состоит из атомов, которые вибрируют, как крошечные пружины, с одинаковой (!!!) частотой.
Он использовал планковскую идею квантования, чтобы показать, что энергия каждого атома может принимать только определенные дискретные значения. Затем он рассчитал среднюю энергию всех атомов и использовал ее для нахождения удельной теплоемкости твердого тела.
Теория Эйнштейна смогла объяснить некоторые экспериментальные факты, которые не могла объяснить классическая механика того времени. Например, он показал, что удельная теплоемкость твердых тел стремится к нулю также, как и температура стремится к абсолютному нулю без источников тепловой энергии. Это только на Земле нам кажется, что вышел на улицу и там всегда вполне сносно (в зависимости от сезона). Если же оказаться в космическом вакууме, то там, мягко говоря, холоднее и понимаешь, что без притока энергии система остывает до 0 по шкале Кельвина.
С уменьшением температуры уменьшается и теплоемкость. Это связано с тем, что при низких температурах большинство атомов находятся в самом низком энергетическом состоянии и не могут больше поглощать тепло.
Это обстоятельство было этакой инновацией и сегодня об этом на уроках никто не рассказывает.
Эйнштейн также показал, что удельная теплоемкость приближается к постоянному значению при высоких температурах.
Но теория Эйнштейна о теплоемкости имела некоторые принципиальные недоработки. Одна из них заключалось в том, что атомы всегда вибрируют с одинаковой частотой. В действительности это не так.
Атомы имеют разную массу и прочность связи, что влияет на их собственные частоты. Кроме того, атомы не независимы друг от друга, а взаимодействуют со своими соседями посредством сил. Эти взаимодействия создают коллективные вибрации, называемые фононами, которые сложнее, чем простые пружины. Фононы - это квазичастицы, которые впоследствии стали использовать для описания поведения звука. Так стали называть кванты звука. А логика поведения звука внутри материала, что интересно, близка к логике формирования удельной теплоемкости.
Эти обстоятельства учёл в дальнейшем Дебай и продолжил развивать представления об удельной теплоёмкости, доработав теории Эйнштейна.
💖 Ставьте лайки материалу, чтобы поддержать проект 👍
✅ Подписывайтесь и обязательно возвращайтесь за новыми интересными материалами на канал!
👉⚡ Подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи!!!
