Термодинамика реальных процессов

Из уравнений (220) и (222), обобщенных седьмым началом, видно, что процессы заряжания и экранирования описываются внешне похожими формулами. Вместе с тем мы теоретически установили, что в физическом плане эти процессы имеют весьма существенные различия. При заряжании данным веществом происходит изменение сопряженного с этим веществом интенсиала системы, никаких других побочных эффектов не наблюдается. При экранировании изменение данного интенсиала потока сопровождается выделением или поглощением термического вещества, что является эффектом, дополнительным по отношению к основной степени свободы системы. При экспериментальной проверке седьмого начала надо особое внимание обратить на вывод о независимости процесса заряжания от каких бы то ни было побочных эффектов, в частности от эффекта выделения или поглощения термического вещества. Именно это свойство сильнее всего отличает заряжание от экранирования, в дальнейшем оно окажет неоценимые услуги при объяснении многих кажущихся парадоксальными явлений природы. Проверочные опыты целесообразно спланировать так, чтобы основная степень свободы отличалась от термической. Тогда при наличии одновременно заряжания и экранирования невозможно будет спутать эти два процесса.

Указанным требованиям хорошо удовлетворяет процесс заряжания конденсатора электрическим зарядом. В этом опыте основная степень свободы - электрическая - не совпадает с экранируемой термической, что дает возможность легко отделить одно явление от другого. Кроме того, электрические и тепловые величины поддаются сравнительно точному измерению.

Будем считать, что конденсатор заряжается равновесно (см. параграф 1 гл. XVI), то есть практически при равномерном распределении потенциала в его объеме. Для этого в цепь конденсатора включается достаточно большое сопротивление  R , на которое приходится почти все падение потенциала. В результате разностью потенциалов в сечении конденсатора допустимо пренебречь. Можно также пренебречь емкостью сопротивления. Это значит, что к конденсатору должен быть применен только закон заряжания, а к сопротивлению - только закон экранирования.

Согласно закону заряжания, подвод (или отвод) заряда  ?  к конденсатору связан с совершением работы  Q3  и изменением энергии последнего на величину (см. уравнения (61) и (220))

    U?3 = Q3 = (1/2)?? = (1/2)К??2    (231)

где  ? - потенциал, до которого заряжается конденсатор; К? - электроемкость этого конденсатора. Множитель 1/2 появляется вследствие того, что поступающие в конденсатор порции заряда  d?  испытывают изменения потенциала в пределах от 0 до ? , поэтому для них среднее значение потенциала за процесс составляет (1/2) ?.

Согласно закону экранирования, практически все термическое вещество выделяется на сопротивлении  R , при этом совершаемая работа  QЭ  и изменение энергии находятся из соотношения (см. уравнение (222))

    U?Э = QЭ = (1/2)??      (232)

Это количество тепла «диссипации» должно выделиться на сопротивлении R за каждый акт заряжания (или разряжания) конденсатора. Как видим, величины  Q3  и  QЭ  равны между собой, следовательно, полная электрическая составляющая энергии заряженного тела (конденсатора)  U? , как это и утверждается формулами (210), (215) и (228), равна произведению потенциала на величину заряда (??).

Поместив конденсатор и сопротивление в два независимых калориметра, мы в первом не должны обнаружить изменения температуры, а во второй должно поступить количество тепла, определяемое формулой (232); при этом температура второго калориметра должна повыситься на величину, равную теплоте  QЭ , поделенной на теплоемкость калориметра, то есть на его водяное число.

Были осуществлены многочисленные опыты в самых различных вариантах; все они хорошо подтверждают теорию. Например, при заряжании лавсанового конденсатора емкостью 10 мкФ до потенциала 400 В совершается работа, равная 0,8 Дж (см. формулу (231)). Эта величина легко поддается измерению. Конденсатор и сопротивление погружены в сосуды Дюара с маслом, играющие роль калориметров; они изолированы легковесным пенопластом и помещены в термостат. Температура калориметров определяется с помощью термостолбика из десяти последовательно соединенных дифференциальных медь-константановых термопар, холодные спаи которых находятся в сосуде Дюара с тающим льдом. Для измерений использованы потенциометры типа Р309 или Р348 с ценой деления 10-8 В. Следовательно, термостолбик позволяет зафиксировать изменение температуры калориметра с точностью 2·10-5 ?, что почти на два порядка превышает эффект, создаваемый теплотой  QЭ . Во всех случаях процесс заряжания сопровождается нулевым тепловым эффектом, а процесс экранирования - эффектом, определяемым формулой (232). Что и требовалось доказать (из совместных опытов со студентом А.А. Вейником).