Деление

Хотя описываемое в данной работе теоретическое развитие еще не распространялось на количественные аспекты термоэлектрических эффектов, обсужденных до сих пор, интересно отметить, что отношение термоэлектрической мощности к температуре обладает многими характеристиками, с которыми мы сталкивались в предыдущем обсуждении реакции других свойств материи на температурные изменения. Это хорошо проиллюстрировано на рисунке 16, демонстрирующем отношение между температурой и абсолютной термоэлектрической мощностью платины. Без заглавия было бы трудно отличить эту схему от схемы температурного расширения или от удельной теплоты элемента одной из более низких групп. И это не случайно. Кривые похожи потому, что во всех случаях применяются одни и те же базовые коэффициенты.

У кривой платины начальный уровень положительный, а приращения за счет более высокой температуры отрицательные. Такое поведение перевернуто у таких элементов как вольфрам, который обладает отрицательным начальным уровнем и положительными температурными приращениями вплоть до температуры около 1400ºК. Выше этой температуры прослеживается тенденция понижения. Нижняя часть кривой (линейная, как обычно) – это второй сегмент. На современной стадии теоретического развития представляется вероятным, что здесь работает общее правило; то есть, второй сегмент каждой кривой, многоединичный сегмент, направлен в сторону отрицательных величин, не зависимо от направления первого (одноединичного) сегмента.

Еще один термоэлектрический эффект – теплопроводность. С практической точки зрения он важнее, чем ранее рассмотренные эффекты, поэтому на современной стадии исследования теории вселенной движения ему уделено большее внимание. Хотя исследование этой темы оказалось случайным итогом рассмотрения феноменов электрического тока, предпринятого при подготовке нового издания данной работы, оно создало полную картину теплопроводности основного класса проводящих металлов, наряду с общей идеей, как другие элементы отклоняются от общего паттерна. В рамках ограниченного времени результатов удалось достичь потому, что, как оказалось, теплопроводность металлов – это не такой сложный процесс, включающий трудные концепции, такие как фотоны, орбиты, процессы ослабления, рассеивание электронов и так далее, как рассматривает его традиционная физика. Это очень простой процесс, определяющийся простой математикой, тесно связанной с математическими отношениями, управляющими чисто механическими процессами.

В первой ситуации, обсужденной в этой главе, в которой вступают в контакт два предварительно изолированных проводника разного состава, энергии электронов в двух проводниках обязательно неравны. Как выяснилось, контакт приводит к установлению равновесия между б о льшим числом электронов с меньшей энергией в одном проводнике и меньшим числом электронов с большей энергией в другом. Такое равновесие не может устанавливаться между двумя секциями однородного проводника, потому что в этом случае нет влияния, которое требует, чтобы либо энергия индивидуального электрона, либо концентрация электронов принимала разные величины в разных положениях. Если окружающие условия постоянны, и распределение энергии и концентрация электронов достигает единообразия по всему проводнику.

Однако если один конец проводника, состоящего из такого материала как железо, нагревается, энергетическое наполнение электронов в этом положении увеличивается и вырабатывается дифференциал силы. Под влиянием градиента силы некоторые горячие электроны движутся к холодному концу проводника. В нем вновь прибывшие электроны отдают тепло в процессе достижения температурного равновесия с атомным движением и присоединяются к концентрации холодных электронов, уже существующих в этом месте. Результирующее более высокое давление электронов вынуждает поток холодных электронов возвращаться к горячему концу проводника. В этом процессе не создаются никакие характерные электрические эффекты, потому что два противоположно направленных потока электронов равны по величине, а эффекты, создаваемые одним потоком, уничтожаются эффектами, создаваемыми другим. Единственный наблюдаемый результат – передача теплоты от горячего конца проводника холодному концу.

Следует заметить, что ни в один из этих процессов не включается электростатическая разность потенциалов. Это одно из препятствий на пути простого объяснения передачи теплоты в контексте традиционной физической теории, где предполагается, что электрические токи создаются разностью потенциалов. Как объяснялось в главе 9, мы находим, что все силы, создающие поток тока в рассматриваемом проводнике (за счет избыточной энергии горячих электронов, за счет увеличенной концентрации электронов на холодном конце, за счет электрического напряжения в целом), - это силы механического типа, а не электростатические силы.

Если материалом проводника является такое вещество как медь, у которого при повышении температуры напряжение уменьшается (становится менее отрицательным), тот же результат создается обратным способом. Здесь действующая энергия электронов на горячем конце проводника ниже, чем энергия холодных электронов. Следовательно, имеет место течение холодных электронов в горячую область. Эти электроны, чтобы достичь температурного равновесия с материей проводника, поглощают тепло из окружающей среды. Тогда увеличенная концентрация горячих электронов высвобождается путем течения некоторых из этих электронов назад к холодному концу проводника. И вновь, два противоположно направленных потока электронов не создают итоговых электрических эффектов.

Проводимость тепла вметаллах посредством движения электронов – это, по сути, тот же процесс, что и проводимость тепла посредством движения молекул газа или жидкости. В замкнутой системе энергетические молекулы из горячей области движутся в холодную область, а параллельный поток уносит равное число холодных молекул назад в горячую область. Между двумя процессами передачи тепла имеется лишь одно значимое различие. Из-за того, что жидкие молекулы подвергаются влиянию гравитации, передача тепла конвекцией относительно быстрая, если ей помогает термально созданная разница в плотности; но она намного медленнее, если диффузия горячих молекул работает против гравитационной силы.

Количественная мера способности движения электронов проводить тепло известна как теплопроводность. Эта величина определяется преимущественно (если не целиком) действующей удельной теплотой и температурным коэффициентом сопротивления, оба они обратно связаны с проводимостью. Имеется вероятность, что на эту величину в малой степени могут влиять и другие еще не определенные факторы, но в любом случае, все изменяющие влияния, отличные от удельной теплоты, не зависят от температуры в пределах точности измерений теплопроводности. Их можно объединить в одну константу для каждого вещества. Тогда теплопроводность вещества представляет эту константу, деленную на действующую удельную теплоту:

Как мы видели в предыдущих главах, удельная теплота материалов проводника следует отношению прямой линии к температуре в верхней части температурной области, а сопротивление линейно соотносится с температурой твердого состояния во всех точках. Следовательно, при более высоких температурах между теплопроводностью и электрической проводимостью имеется постоянное отношение (обратное сопротивлению). Это отношение известно как закон Видемана-Франца.

Отношение, выраженное в этом законе, нарушается при более низких температурах, как только удельная теплота падает ниже начальной прямой линии. Однако нарушение отношения не происходит так быстро, как можно было бы ожидать, исходя из нормальной удельной теплоты металлов. Удельная теплота большинства металлов начинает понижаться от верхнего линейного сегмента кривой приблизительно при комнатной температуре. Причина расширения линейного отношения высокой температуры до более низкой температуры в применении к теплопроводности в том, что удельная теплота при условиях, относящихся к теплопроводности, не подвергается ограничениям, относящимся к передаче тепловой энергии посредством контакта между атомами материи. Вместо того, чтобы проходить через промежуточные шаги, как в измеренной удельной теплоте, действующая удельная теплота при теплопроводности продолжается на основе понижения высокой температуры до точки, в которой многоединичное движение больше не возможно, и обязателен переход к одноединичной основе.

Температура, обозначенная T₀ в предыдущем обсуждении, точка, в которой кривая удельной теплоты достигает нулевого уровня, одинакова у теплопроводности и у атомного контакта. Но взаимодействие между электронами и атомами единичной вращающейся системы электрона прибавляет половину единицы к одной единице начального уровня двойной системы атома. Следовательно, начальный уровень модифицированной кривой удельной теплоты составляет 1¹/2 единицы (-1,98) вместо обычной одной единицы (-1,32). Это делает наклон кривой круче, чем наклон начального сегмента обычной кривой удельной теплоты, определенной в главе 5.

Отклонение теплопроводности от постоянного отношения, выраженного законом Видемана-Франца, - проблема, с которой вынуждена иметь дело любая теория теплопроводности. Поскольку объяснение, выведенное из теории Обратной Системы, приписывает отклонение паттерну удельной теплоты, самый лучший способ продемонстрировать правомочность объяснения – это обратиться к работе с измеренными теплопроводностями21 и вычислять соответствующие теоретические удельные теплоты из уравнения 11-1, а затем сравнивать вычисленные удельные теплоты с только что описанным теоретическим паттерном.

Рисунок 17: Действующая удельная теплота при теплопроводности