Căldura şi procesele termice - teorie nouă (I)

Autor: ing. Constantin Teodorescu

Articolul "Căldura şi procesele termice - teorie nouă (I)" explică procesele termice în molecule, în stările solidă, lichidă şi gazoasă, şi în atomi separaţi şi reprezintă o nouă teorie a căldurii şi proceselor termice, elaborată pe baza concepţiei şi legilor fundamentale demonstrate în studiul "Structură şi evoluţie" al autorului.

Cuprins:

1   Înţelegerea actuală a noţiunii de căldură
2   Starea solidă

3   Starea lichidă

4   Starea gazoasă

5   Procesele termice în atom

(I)  Procesele termice în molecula cu atomi identici

1   Înţelegerea actuală a noţiunii de căldură

În fizica actuală, căldura şi electricitatea sânt considerate forme specifice de energie şi toate se măsoară în jouli (J, N×m sau kg×m²/s²). Ca forme specifice de energie au şi teorii specifice cu termeni, relaţii, fenomene, demonstraţii şi explicaţii proprii.

În [1], au fost abordate şi problemele căldurii şi electricităţii. Despre electricitate s-a vorbit în paragraful 11.2 „Curentul electric şi energia electrică”, în care s-a demonstrat că electricitatea este o curgere concentrată şi canalizată de energie şi s-au pus bazele unei noi înţelegeri a electricităţii şi fenomenelor electrice, inclusiv de obţinere a energiei electrice. Despre căldură şi temperatură s-a vorbit în capitolele 4, 7 şi 8, la nivelul acumulării de energie în particula materială, în atom şi în moleculă. De asemenea, în paragraful 11.5 „Emisia de lumină şi vitaza luminii”, au fost abordate fenomenele termice care conduc la emisia de lumină.

Prezentul articol este destinat a închega noţiunile de căldură într-un tot unitar, pentru a pune bazele unei noi teorii asupra căldurii şi fenomenelor termice, prin interpretarea reală a fenomenelor termice în atomi şi în molecule şi renunţarea completă la abordarea statistico – probabilistică. Pentru a face mai clare necesitatea şi oportunitatea noii abordări, dar şi pentru a scoate în evidenţă noutatea, pornim demersul nostru de la înţelegerea actuală a noţiunii de căldură. 

Aşadar, despre căldură, în [2], la căldură sau cantitate de căldură, se spune: este „variaţia energiei interne a unui sistem, determinată numai de variaţia parametrilor interni ai sistemului. În interacţia cu exteriorul, un sistem termodinamic îşi modifică energia sa internă fie prin variaţia parametrilor externi, fie prin variaţia parametrilor interni. Când variază parametrii externi, sistemul schimbă lucru mecanic cu exteriorul, iar la variaţia celor interni, între sistem şi mediul extern are loc un schimb de căldură.” Cum se face schimbul de căldură însă nu se mai spune.

Tot în [2], la parametri de stare, se arată: sânt „mărimi care definesc complet starea unui sistem termodinamic.” În continuare, sânt specificaţi o serie de parametri de stare numai pentru cazul când sistemul interacţionează termic şi mecanic cu exterirul.

Fiindcă opera citată are o vechime de câteva decenii, am căutat informaţii şi pe internet şi am găsit în enciclopedia liberă Wikipedia, articolul „Transmiterea căldurii” [3], în care se spune: „Transmiterea căldurii este domeniul termodinamicii care se ocupă cu schimburile de energie termică între corpuri. Transferul de căldură are loc sub influența unei diferențe de temperatură. Principiul al doilea al termodinamicii în formularea lui Clausius stipulează că acest transfer se face de la sine doar de la temperatura mai înaltă la temperatura mai joasă.”

În continuare, sânt expuse mecanismele de transmitere a căldurii şi este dat exemplul cu fierul înroşit.

“Mecanismele de transmitere a căldurii

Fier înroşit, exemplu complex de transmiterea căldurii: în metal prin conducţie, spre aer prin convecţie, la distanţă prin radiaţie.

Se cunosc trei mecanisme de transmiterea caldurii:

-         Transmiterea prin conducţie, caracterizată prin lipsa mișcărilor macroscopice. Este modul curent de transmitere a căldurii în corpurile solide și se bazează pe mișcările moleculare.

-         Transmiterea prin convecţie, caracterizată prin existența mișcărilor macroscopice de curgere. Este modul curent de transmitere a căldurii în corpurile lichide și gazoase, inclusiv la limitele lor, la contactul cu alte faze. În funcție de natura mișcărilor macroscopice convecția poate fi:

·         Convecție liberă, caracterizată prin faptul că mișcările se fac sub acțiunea forțelor arhimedice, determinate de diferențe de densitate.

·         Convecție forțată, caracterizată prin faptul că mișcările se fac sub acțiunea altor forțe.

-         Transmiterea prin radiaţie, caracterizată prin transferul termic prin radiaţie electromagnetică din gama infraroșu. Acest transfer se poate face in vid sau în medii optice transparente la radiația infraroșie.”

Prin urmare, încălzirea unui corp material se face prin trei căi: mişcări moleculare, mişcări macroscopice şi radiaţie electromagnetică. Atâta ne spune fizica.

Dar în interiorul moleculelor ce se întâmplă? Doar moleculele sânt formate din atomi, iar atomii conţin nuclee şi electroni. Încălzirea unui corp se reduce oare doar la mişcarea de ansmblu a moleculelor ca nişte bile, fără a suferi modificări interioare la nivelul atomilor?

Evident că nu, mai ales că în corpurile solide poziţiile moleculelor sânt fixe.

Aşadar, despre încălzirea unui corp, fizica ne vorbeşte doar în mare, fără a despica intimitatea procesului. Iar fenomenele termice în gaze sânt studiate pe baze statistice, conform teoriei probabilităţilor.

Prima încercare de a pătrunde în intimitatea moleculară şi atomică este făcută în [1], în capitolele 4, 7 şi 8, prin luarea în considerare a mişcărilor giroscopice ale nucleelor şi electronilor.

Conform [1], încălzirea sau răcirea unui atom se face sub forma măririi sau micşorării vitezei unghiulare de rotaţie giroscopică a nucleelor şi electronilor din interiorul moleculelor. Astfel, studiul fenomenelor termice la nivelul moleculelor şi atomilor iese din sfera probabilităţilor şi pătrunde în sfera realului, ceea ce permite trecerea la o nouă abordare atât a noţiunilor de căldură şi temperatură cât şi a desfăşurării diverselor fenomene termice în lumea înconjurătoare şi chiar în Univers.

Pentru a avea un tablou complet al proceselor termice din interiorul corpului material şi în interacţiunile acestuia cu mediul înconjurător, noţiunile expuse în capitolele menţionate mai sus sânt adunate într-o descriere unitară, coerentă şi conformă legilor universale.

2   Starea solidă

Vom analiza starea solidă a moleculei formată din doi atomi identici. Mai întâi însă să reamintim că mişcarea înseamnă o curgere de energie. Conform acestui principiu, prin moleculă curge energie continuu, indiferent de regimul de încălzire, de răcire sau staţionar în care se află, pentru că mişcările din interiorul moleculei trebuie alimentate continuu cu energie. Regimul de încălzire, de răcire sau staţionar este dat de raportul dintre energia care intră în moleculă, E_im, şi energia care este emisă de către moleculă, E_em, adică energia care iese din moleculă.

Conform [1], paragraful 5.6.4 „Forma găurii din jurul axei z”, energia intră în atomii moleculei, prin pâlniile găurilor lipsite de energie din jurul axelor de rotaţie ale nucleelor, deoarece forţele de atracţie ale energiilor nucleelor şi structurilor de energie din jurul lor tind către infinit, ceea ce le transformă în puternice aspiratoare de energie din câmpul de energie aflat în jurul moleculei. Energia pătrunsă în găurile lipsite de energie din jurul axelor de rotaţie ale nucleelor este aruncată instantaneu în nuclee şi în structurile de energie din jurul acestora şi, sub acţiunea componentelor verticale ale forţelor de atracţie care nu sânt de nimic anihilate, este împinsă spre planele ecuatoriale ale structurilor de energie din jurul nucleelor.

În planele ecuatoriale ale structurilor de energie din jurul nucleelor, componentele verticale ale forţelor de atracţie se anulează, iar componentele orizontale sânt egale şi de sens contrar forţelor centrifuge, conform [1] paragraful 5.6 „Forţa de atracţie a structurii de energie”. Energiile aduse în plus în planele ecuatoriale sporesc forţele centrifuge, care aruncă în afara moleculei surplusul de energie.

Astfel, circuitul energiei prin molecule este de la polii nucleelor, prin nuclee şi structurile de energie din jurul lor, spre planele ecuatoriale şi, din acestea, spre exterior, cu excepţia zonei de întrpătrundere dintre nuclee.

După ce am stabilit circuitul energiei prin moleculă, să analizăm regimurile termice.

Termic, adică din punctul de vedere al circulaţiei energiei, molecula se poate afla în unul dintre următoarele regimuri:

-        staţionar, E_im = E_em, adică energia care intră în moleculă este egală cu energia care iese din moleculă,

-        de încălzire, E_im > E_em, adică energia care intră în moleculă este mai mare ca energia care iese din moleculă şi

-        de răcire, E_im < E_em, adică energia care intră în moleculă este mai mică decât energia care iese din moleculă.

În regimul staţionar, energia moleculei se află în armonie, în concordanţă, cu energia câmpului din jurul moleculei care, la rândul său, se află în regim staţionar cu energia câmpului universal de energie. Este un regim vremelnic şi ocazional, deoarece câmpul înconjurător de energie este într-o continuă evoluţie.

În celelalte regimuri, energia moleculei este în creştere sau în scădere.

Dacă luăm în considerare caracterul ciclic al structurilor de energie din jurul nucleelor, care au constanta ciclică 2pe, conform subparagrafului 5.5.1 din capitolul 5, e fiind stropul elementar de energie, şi faptul că asupra elementului de energie e ciclicitatea acţionează de n ori pe secundă, iar produsul 2pn = w,  relaţiile forţei centrifuge (11.46), forţei de atracţie (11.47) şi potenţialului forţei de atracţie (11.48) din [1] paragraful 11.7 „Căldura şi procesele termice – teorie nouă”, în cadrul atomului sau moleculei, capătă formele

     (1)

      (2)

   (3)





în care E_r = ew_n reprezintă energia aflată în rotație giroscopică, iar w_n este viteza unghiulară de rotaţie a nucleului şi a structurii de energie din jurul acestuia.

Conform relației (11.73) din [1], energia moleculei ia forma
    (4) 

Observăm astfel, din relaţiile (1), ..., (4), că atât energia moleculei cât şi forţele centrifuge şi de atracţie şi potenţialele forţelor de atracţie sânt toate direct proporţionale cu viteza unghiulară de rotaţie. Astfel, viteza unghiulară de rotaţie a nucleelor şi structurilor de energie din jurul acestora, w_n, este mărimea sau parametrul care caracterizează complet şi univoc atât starea energetică a moleculei cât şi mărimile forţelor centrifuge şi de atracţie şi potenţialelor forţelor de atracţie din cadrul moleculei.

Rezultă că, la nivel molecular, noţiunea de temperatură, în accepţiunea dată astăzi de fizică conform relaţiilor (4.23) şi (4.24) din [1], este neadecvată. 

După determinarea parametrului general ce caracterizează starea energetică a moleculei, este cazul să caracterizăm şi mărimea structurilor de energie ale acesteia.

Cea mai îndepărtată linie echipotenţială de nucleele atomilor, linia de margine, în starea solidă, conform [1] capitolul 8 paragraful 8.4 „molecula”, este un oval Cassini care înconjoară ambele nuclee ale moleculei. În [4], pag.106, Ovalele Cassini, la a), se dau intersecțiile cu axa x

     (5)

şi intersecţiile cu axa y

      (6)


unde a este semidistanța dintre nuclee iar b² = r₁r₂, r₁ și r₂ fiind distanțele la cele două nuclee.

Pe baza relaţiei (5), lungimea moleculei L este

              

  (7)

iar pe baza relaţiei (6), lăţimea moleculei l este

                      

     (8)

în care b corespunde liniei echipotențiale marginale.

Pentru a determina parametrul a, ne folosim de bilanţul celor şase forţe ce se confruntă în centrul moleculei şi de-a lungul axei x:

-        forţele centrifuge ale structurilor de energie ale atomilor,

-        forţele de atracţie ale structurilor de energie ale atomilor şi

-        forţele de atracţie ale maselor nucleelor atomilor.

În planul ecuatorial al structurilor de energie, pentru z = 0, forţele centrifuge sânt egale şi de sens contrar forţelor de atracţie, relaţiile (1) şi (2), prin urmare, datorită doar forţelor structurilor de energie ale atomilor moleculei, acestea s-ar putea afla în echilibru la atingerea lor tangenţială. Un astfel de echilibru însă nu poate fi realizat din cauza forţelor de atracţie ale maselor nucleelor care, în această poziţie de atingere tangenţială, nu sânt compensate dacă structurile de energie ale atomilor nu dispun de suficientă energie. Pentru compensarea şi a forţelor de atracţie ale maselor nucleelor, este necesar ca forţele centrifuge ale structurilor de energie ale atomilor să crească cu valoarea forţelor de atracţie dintre masele nucleelor. Cum forţa centrifugă a structurii de energie creşte cu apropierea de nucleu, de axa de rotaţie, rezultă că echilibrul dintre structurile de energie ale atomilor moleculei se realizează numai printr-o întrepătrundere a lor, mai mare sau mai mică în funcţie de masa nucleelor şi de nivelul de energie al structurilor, ca în cazul a) din [4], din care au fost preluate relaţiile (5) şi (6).  

Cum structurile de energie ce se rotesc în jurul nucleelor nu sânt rigide ci fluide,  pornim analiza de la cazul întrepătrunderii maxime a acestora, ceea ce corespunde nivelului minim de energie ce se roteşte în jurul nucleelor, E_r, corespunzător cazului a) din [4].   

În această situație, relaţia de echilibru este

                           

   (9)

în care r_a este raza atomului sau raza structurii de energie, a_s este semidistanţa dintre nuclee în starea solidă, F_c este forţa centrifugă la distanţa a_s de axa de rotaţie şi, corespunzător, la distanța r_a de axa de rotație, iar F_am este forţa de atracţie dintre masele nucleelor la distanţa 2a_s dintre nuclee.

Conform relaţiilor (1), pentru forţa centrifugă, şi (9.65) din [1], pentru forţa de atracţie a maselor nucleelor, în planul ecuatorial al moleculei, z = 0, relaţia (9) capătă forma 

                                    

(10)

în care m_n este masa nucleului și nucleele au fost considerate identice.

Prin aducerea la același numitor și trecerea tuturor termenilor în partea dreaptă, din relaţia (10), se obţine ecuaţia de gradul 2 în a_s:

         

(11)

Soluțiile ecuației (11) sânt date de relaţia

    
 (12)

care, prin simplificare, devine

       
   (13)

Condiția de existență a radicalului impune ca

    (14)


Condiția (14) poate fi scrisă şi sub forma

 
    (15)

adică, energia minimă de rotație trebuie să fie mai mare sau egală cu energia necesară mişcării masei nucleului pe distanţa razei structurii de energie a atomului r_a, notată E_n(r_a). Pentru cazul egalităţii în inegalitatea (15), se obţine valoarea minimă a parametrului a_s:

          
          (16)

În acest caz, întrepătrunderea structurilor de energie din jurul nucleelor este maximă şi corespunde unghiului de 120^o, în planul ecuatorial, deoarece punctele y₁ şi y₂, corespunzătoare relaţiei (6), şi centrele nucleelor formează un romb cu laturile r_a, cu diagonala pe axa x egală tot cu r_a şi cu cealaltă diagonală egală cu.
Pentru linia echipotențială marginală a planului ecuatorial,

                        
       (17)

iar linia prezintă două șei la intersecţiile cu axa y. 

Revenind la relaţia (13), observăm că admite ca soluţie reală doar pe cea cu plus la numărător, pe de o parte, şi că poate fi pusă sub forma

 

(18)

pe de altă parte.

Evident, relația (18) poate fi adusă la forma

        

          (19)

Dacă energia de rotație E_r crește astfel încât E_r >> E_n(r_a), conform relaţiei (15), raportul de sub radical este subunitar şi scade continuu pe măsură ce creşte E_r. La o creştere suficient de mare a energiei de rotaţie E_r, raportul tinde către zero şi relaţia (19) devine

   
(20)

Relaţia (20) arată că pentru valoarea parametrului a_lich = r_a, întrepătrunderea structurilor de energie ale atomilor moleculei este zero, adică structurile se ating tangenţial, a_lich reprezentând distanţa dintre nuclee la trecerea moleculei în starea lichidă.

Prin urmare, să constatăm că parametrul ce caracterizează zona de întrepătrundere a structurilor de energie ale atomilor moleculei cu atomi identici, la o creştere continuă a energiei de rotaţie E_r,  parcurge toate valorile intervalului închis  

      
      (21)

Cum în relaţiile (1), (2) şi (3) a fost introdusă notaţia E_r = ew_n, pe baza acesteia, inegalitatea E_r >> E_n(r_a), considerată după relaţia (19), poate fi scrisă şi sub forma

   (22)

care arată că parametrul care determină evoluția și existența moleculei este viteza unghiulară de rotaţie w_n a nucleelor şi structurilor de energie din jurul lor.

Ca atare, intervalului închis (21), îi corespunde intervalul închis

   
      (23)

al valorilor vitezei unghiulare de rotaţie a nucleelor şi structurilor care asigură existenţa şi evoluţia structurii moleculare în starea solidă.

Înainte de a urmări evoluţia procesului de încălzire prin parcurgerea intervalelor din relaţiile (21) şi, respectiv (23), să observăm că dacă se coboară energia de rotire din structurile de energie ale atomilor sub valoarea E_r, corespunzătoare limitei a_s, respectiv w_{n, s}, forţele de atracţie dintre masele nucleelor nu mai sânt echilibrate şi vor provoca contopirea celor două nuclee şi transformarea moleculei în atomul unui nou element mai greu. Având în vedere importanţa acestei observaţii, o formulăm sub forma unei teoreme de formare de elemente mai grele:

Teorema de formare a elementelor mai grele:   Condiţia necesară şi suficientă pentru ca din molecula de doi atomi să se formeze un atom al unui element mai greu este ca energia de rotaţie E_r din structurile de energie ale atomilor componenţi să fie coborâtă sub valoarea care determină nivelul maxim de întrepătrundere a acestora a_s, respectiv viteza unghiulară de rotaţie w_n să fie coborâtă sub valoarea w_{n, s}.

Pe baza teoremei de formare a elementelor mai grele, îndrăznim să formulăm o ipoteză, pe care o expunem în următoarea notă:

Nota 1:   Cum în cosmos există zone cu energie foarte scăzută, considerăm că acestea sânt laboratoarele în care se formează atomii elementelor mai grele, prin contopirea atomilor din moleculele ce străbat prin aceste zone, accidental sau în fluxuri. Asemenea zone există şi în interiorul galaxiilor şi în spaţiile intergalactice şi sânt străbătute de molecule izolate sau conţinute în corpuri materiale ce sânt azvârlite, de exemplu, din coliziunea a două corpuri materiale ce se mişcă cu viteze mari. 

Şi acum, să pornim analiza procesului de încălzire de la energia minimă de rotaţie a structurii de energie din jurul nucleelor, E_r, dată de relaţia (15) şi, corespunzător căreia, conform relaţiei (16, a_s = r_a/2 şi, corespunzător relaţiei (22), w_n = w_{n, s}. Aceasta corespunde celei mai joase răciri posibile a moleculei formată din doi atomi identici. (O răcire şi mai joasă ar produce efectul prezentat mai sus).

Să admitem că energia de rotaţie E_r a structurilor de energie ale moleculei a crescut peste E_r cu DE, ceea ce înseamnă că, în mod corespunzător, a crescut şi viteza unghiulară de rotaţie, adică

    (24)

În mod corespunzător cresc şi forţele centrifuge, conform relaţiei (1), şi forţele de atracţie ale energiilor atomilor, conform relaţiei (2). Numai forţele de atracţie ale maselor nucleelor rămân nemodificate, întrucât masele nucleelor nu s-au modificat, ci doar vitezele lor ungiulare de rotaţie au crescut cu Dw_n.

Creşterea forţelor centrifuge face ca echilibrarea forţelor de atracţie ale maselor nucleelor, conform relaţiei (10), să se producă la o depărtare de axa nucleelor mai mare decât a_s rezultată din relaţia (16), adică

         (25)

Creșterea parametrului a cu Da are următoarele efecte imediate:

a)      Crește distanța dintre nucleele atomilor moleculei: 2a = 2a_s + 2Da. Este cunoscutul efect de dilatare termică studiat de fizică şi de importanţă deosebită în tehnică şi, mai ales, în viaţa practică.

b)     Se micşorează zona de întrepătrundere a structurilor de energie ce se rotesc în jurul nucleelor.

c)      Se îngustează linia echipotenţială marginală din planul ecuatorial, de-a lungul axei y, prin lărgirea şi adâncirea şeilor, conform relaţiei (8): l = l_max – Dl.

3   Starea lichidă

Procesul de încălzire a moleculei continuă în acelaşi fel, prin accentuarea continuă a efectelor a), b) şi c), până când Da devine egal cu r_a / 2.

La atingerea valorii Da = r_a/2, cum şi a_s = r_a / 2, parametrul a devine egal cu r_a, deoarece a = a_s + Da = r_a / 2 + r_a / 2 = r_a = a_lich. De asemenea, viteza unghiulară de rotaţie w_n devine egală cu w_{n, lich}, ceea ce corespunde trecerii moleculei în starea lichidă.

Atingerea valorii a = r_a = a_lich are, la rândul ei, următoarele efecte:

d)     Paremetrul a devine egal cu parametrul b al liniei echipotenţiale marginale din planul ecuatorial, conform relaţiei (17).

e)      Linia echipotenţială marginală din planul ecuatorial se îngustează atât de mult de-a lungul axei y încât se reduce la punctul 0, adică l = 0. Linia echipotenţială devine lemniscata sau funda lui Bernoulli.

f)       Zona de întrepătrundere a structurilor de energie din jurul nucleelor se reduce şi ea la un singur punct, punctul 0, structurile însăşi înscriindu-se în interiorul lemniscatei sau fundei lui Bernoulli.

g)      Molecula trece din starea solidă în starea lichidă.

În cazul unui corp format din mai multe molecule, trecerea moleculelor din starea solidă în starea lichidă nu se face instantaneu ci succesiv, pe măsură ce fiecare moleculă acumulează energia necesară. Este fenomenul cunoscut în fizică sub denumirea de căldură latentă de lichefiere.

Prin trecerea la starea lichidă şi anihilarea zonei de întrepătrundere a structurilor de energie din jurul nucleelor se anulează şi compensarea forţelor de atracţie ale maselor nucleelor de către forţele centrifuge ale structurilor de energie.

Astfel, la trecerea moleculei în stare lichidă şi la stabilirea contactului punctiform din punctul 0 al structurilor de energie din jurul nucleelor, în punctul 0 de contact, toate cele trei forţe, centrifuge, de atracţie a energiilor şi de atracţie a maselor nucleelor se echilibrează reciproc şi fixează molecula într-o stabilitate deosebită, cu următoarele efecte imediate:

h)     Molecula lichidă este stabilă ca formă şi dimensiuni, adică îşi menţine volumul, pe o plajă largă de variaţie a energiei acumulate sau, cu alte cuvinte, prin încălzirea până la fierbere.

i)        Molecula lichidă nu este compresibilă şi nici nu se dilată.

4   Starea gazoasă

Datorită stabilităţii deosebite, molecula lichidă suportă fără modificări, creşterea în continuare a energiei de rotaţie E_r, prin variaţia continuă a vitezei unghiulare de rotaţie w_n, de la valoarea atingerii stării de lichefiere w_{n, lich} până la valoarea w_{n, g}, corespunzătoare fierberii lichidului.

De-a lungul întregului proces de încălzire a moleculei, atât în starea solidă cât şi în starea lichidă, viteza unghiulară de rotaţie w_n creşte considerabil de la valoarea w_{n, s}, la valoarea w_{n, lich} şi până ajunge la valoarea w_{n, g}, adică

         (26)

Creșterea considerabilă a vitezei unghiulare de rotaţie până la valoarea w_{n, g}, corespunzătoare fierberii lichidului, are ca efect creşterea considerabilă a forţei centrifuge a maselor nucleelor aflate în mişcare giroscopică.

Conform relaţiei (2.2.30) din [1], forţa centrifugă a masei nucleare m_n aflată în mişcare giroscopică este exprimată prin relaţia    

        
     (27)

Corespunzător inegalităţilor (26), putem scrie şi inegalităţile forţei centrifuge a masei nucleare m_n:

      (28)

deoarece

   
    (29)

Prin urmare, forțele centrifuge ale maselor nucleare m_n cresc considerabil, direct proporţional cu pătratul vitezei unghiulare de rotaţie w_{n, g}, şi ajung ca, la fierberea lichidului, să fie forţele care determină poziţia de echilibru a nucleelor şi structurilor de energie din jurul acestora, în cadrul moleculei ajunsă la fierbere. La atingerea fierberii, forţele centrifuge ale maselor nucleare încep să împingă nuclele în sensul depărtării unul de altul şi desprind structurile de energie din jurul nucleelor de contactul direct, iar molecula trece din starea lichidă în starea gazoasă. 

Linia echipotenţială marginală comună structurilor de energie, aflată sub formă de lemniscată sau funda lui Bernoulli în starea lichidă, se divide în punctul 0 şi ia forma a două ovale separate. Astfel, cele două structuri de energie din jurul nucleelor se despart, rămânând fiecare în jurul propriului nucleu, şi, în consecinţă, atomii moleculei se despart. Dar despărţirea atomilor nu înseamnă separarea lor completă deoarece, deşi fiecare atom îşi are propria structură de energie şi propriul ansmblu de electroni ce se rotesc în jurul nucleului, ei rămân în continuare încorsetaţi în strânsoarea forţelor de atracţie ale propriilor energii şi mase, cu toată opoziţia forţelor centrifuge ale aceloraşi energii şi mase, opoziţie care determină însă depărtarea de 2a_g dintre nuclee.

Este important să reţinem acest aspect ce arată că deşi atomii sânt separaţi, molecula rămâne stabilă ca formă şi structură, dar cu particularitea că, spre deosebire de stările solidă şi lichidă, are libertatea de mişcare în spaţiul din jur, corespunzător propriei energii.

În condiţiile noastre pământeşti, molecula în stare gazoasă se află în câmpul de energie al unui uriaş giroscop: concomitent cu mişcarea sa orbitală în jurul Soarelui, Pământul are şi o puternică mişcare giroscopică cu precesie. În subcapitolul 2.2 subparagraful 2.2.4 din [1], s-a arătat că, în câmpul energiei giroscopice a unui corp material, acţionează principiul corelaţiei energetice conform căruia, molecula care a căpătat o energie diferită de energia giroscopică a locului pe care se află va tinde să se deplaseze spre un nou loc corespunzător energiei primite, dacă legăturile în cadrul corpului îi permit.

Ori, prin trecerea la starea gazoasă, molecula, deşi îşi menţine structura atomică internă, îşi pierde legăturile cu celelalte molecule, legături menţinute stabile în stările solidă şi lichidă. Eliberată de legăturile cu alte molecule, molecula în stare gazoasă se va mişca în câmpul energiei giroscopice a Pământului, conform principiului corelaţiei energetice.

Conform celor prezentate mai sus, molecula în stare gazoasă se mişcă în tot spaţiul disponibil. Prin reducerea spaţiului disponibil, se reduce şi spaţiul dintre moleculele în stare gazoasă, ceea ce în fizică este numită proprietatea de compresibilitate a gazelor. Cu privire la compresibilitatea gazelor însă, trebuie distinse două etape.

În prima etapă, când forţele de compresie sânt mai mici, se reduc corespunzător distanţele dintre moleculele în stare gazoasă. Pe măsura creşterii forţelor de compresie, distanţele dintre moleculele în stare gazoasă devin din ce în ce mai mici, mergând chiar până la anularea lor completă, dar structura internă a moleculelor nu se modifică.

În a doua etapă, după eliminarea distnţelor dintre moleculele în stare gazoasă, creşterea în continuare a forţelor de compresie conduce la diminuarea treptată e efectului forţelor centrifuge ale maselor nucleelor moleculei şi la apropierea nucleelor moleculei. Creşterea forţelor de compresie până la o anumită limită, numită presiunea de lichefiere, conduce la readucerea moleculei din starea gazoasă în starea lichidă.

Pe lângă compresibilitate, starea gazoasă prezintă şi alte aspecte interesante şi utile, dar să ne oprim la evoluţia moleculei în stare gazoasă în funcţie de creşterea vitezei unghiulare de rotaţie w_n peste valoarea w_{n, g}. Prin creşterea continuă a vitezei unghiulare de rotaţie w_n, cresc continuu şi forţele centrifuge, îndeosebi forţa centrifugă a maselor nucleare F_cm, cresc şi forţele de atracţie ale energiilor atomilor. Dar, cum creşterea forţei centrifuge a maselor nucleare F_cm este direct proporţională cu pătratul vitezei unghiulare de rotaţie, creşterea acesteia va atinge o astfel de valoare la care rezultanta forţelor centrifuge va depăşi rezultanta forţelor de atracţie, adică            

      (30)

unde w_{n, a} este viteza unghiulară de rotaţie la care molecula în stare gazoasă se dezmembrează în atomii componenţi.

De-a lungul a trei subparagrafe a fost analizat procesul de încălzire a moleculei în stările solidă, lichidă şi gazoasă. Procesul de răcire a moleculei, în ordinea inversă a celor trei stări, este uşor de înţeles deoarece este reversibilul procesului de încălzire.

Încheiem aici analiza proceselor temice în molecula cu atomi identici, cu observaţia că intenţionat au fost eliminaţi din analiză electronii atomilor, rolul lor în evoluţia termică a moleculei fiind nesemnificativ. În schimb, după destrămarea moleculei, situaţia se schimbă şi vom analiza în continuare procesele termice în atom.

5   Procesele termice în atom

În analiza procesului termic de încălzire a moleculei, de-a lungul stărilor de agregare solidă, lichidă şi gazoasă, a fost analizat inclusiv procesul termic din atomii componenţi ai moleculei. De aceea, considerând că procesele termice din interiorul atomului se desfăşoară identic pe toată durata cât individualitatea şi integritatea lui sânt menţinute, începem analiza proceselor termice din atom cu viteza unghiulară de rotaţie a acestuia la dezmembrarea moleculei gazoase şi separarea atomilor w_{n, a}. Corespunzător acestei viteze, relaţiile (1), (2) şi (3) se transcriu astfel:

       
                            (31)

      
                             (32)

           

(33)

După separarea atomilor din moleculă, liniile echipotențiale, conform relației (33), devin cercuri concentrice în jurul axei de rotaţie a nucleului. Ca urmare, mişcarea orbitală a electronilor fiind circulară, mişcarea giroscopică a acestora îşi pierde precesia, determinată de forma ovalelor Cassini, şi devine o simplă mişcare giroscopică.

De asemenea, după separarea atomilor din moleculă, mişcarea orbitală a electronilor devine sincronă cu mişcarea de rotaţie a nucleului şi a structurii de energie din jurul acestuia, adică viteza unghiulară de rotaţie a nucleului şi structurii de energie din jurul său w_{n, a} reprezintă şi viteza unghiulară de rotaţie orbitală a electronilor, pe orbite circulare, în jurul nucleului.

Mişcarea orbitală a electronilor este caracterizată de următoarele mărimi:

-        energia electronului, E_e,

-        viteza unghiulară de rotaţie orbitală, w_{n, a} = w_{n, o},

-        viteza liniară orbitală, v_eo,

-        forţa de atracţie dintre masele electronului şi nucleului, F_am şi

-        forţa centrifugă a mişcării orbitale a masei electronului, F_co.

Viteza liniară orbitală este egală cu produsul vectorial al vitezei unghiulare de rotaţie orbitală cu raza rotaţiei orbitale r_o, adică

    
  (34)

Să presupunem că vitaza unghiulară de rotaţie w_{n, a} a crescut cu Dw. Corespunzător creşterii Dw, cresc şi energiile de mişcare giroscopică unitară a nucleului şi structurii de energie din jurul lui, dar şi forţele centrifugă şi de atracţie şi potanţialul forţei de atracţie, conform relaţiilor (31) – (33), fără a se perturba echilibrul mişcării giroscopice unitare a atomului. Să analizăm însă ce se întâmplă la nivelul electronilor ce se rotesc în jurul nucleului.

Energia electronului, conform relaţiei (11.71) din [1], este exprimată prin relaţia

 (35)

în care s-a ținut seama că mișcarea giroscopică a electronului este fără precesie şi m_e este masa electronului, R_e este raza, iar w_e este viteza unghiulară de rotaţie giroscopică a electronului.

Având în vedere relaţia (34) şi faptul că toţi cei trei vectori sânt perpendiculari unul pe altul, pe baza relaţiei (35), creşterea Dw măreşte şi energia electronului

(36)

Creșterea energiei electronului este dată de diferența relațiilor (36) şi (35):

   
(37)

Să constatăm că prin creșterea Dw a crescut corespunzător şi energia electronului cu DE_e ceea ce-i modifică potenţialul de energie, iar modificarea potenţialului de energie impune electronului trecerea pe o orbită corespunzătoare noului potenţial, pe de o parte.

Pe de altă parte, creşterea de energie DE_e nu a afectat cu nimic masele nucleului şi electronilor, astfel că potenţialul de masă al elelectronului nu s-a modificat, iar constanţa potenţialului de masă presupune şi constanţa razei orbitale.

Aşadar, conform teoremei 11.2 din [1], ca urmare a creşterii de energie, electronul este obligat să schimbe traiectoria orbitală dar să menţină constantă raza de rotaţie r_o. Aceasta înseamnă că, pentru îndeplinirea noilor condiţii impuse, electronul este nevoit să facă un salt pe verticală, în sus sau în jos faţă de planul ecuatorial, pentru a trece pe o altă linie echipotenţială, corespunzătoare noului potenţial de energie, dar păstrând aceeaşi distanţă faţă de axa de rotaţie.

Acest fapt rezultă şi din relaţiile (37) şi (33). Din relaţia (33) se vede că potenţialul de energie depinde şi de coordonata z, ceea ce face posibilă compensarea creşterii de energie din relaţia (37) prin modificarea coordonatei z.

Pe lângă modificarea pe verticală a traiectoriilor orbitale ale electronilor, datorită modificării potenţialelor electrice, încălzirea atomului are efect şi asupra forţelor ce se manifestă în interiorul acestuia: forţele de atracţie şi forţele centrifuge.

Forţa de atracţie şi forţa centrifugă proprii energiei giroscopice a nucleului şi structurii de energie din jurul său suferă creşteri, corespunzătoare creşterii de energie a atomului, care însă se compensează reciproc, fără a influenţa mişcarea electronilor. Aceste forţe contribuie la schimbul de energie dintre atom şi mediul înconjurător.

Forţa de atracţie dintre masele nucleului şi electronilor se menţine tot timpul constantă şi, aşa cum s-a arătat şi mai sus, menţine constant şi potenţialul de masă al electronilor.

Forţa centrifugă a masei electronilor aflaţi în mişcări orbitale variază însă cu încălzirea atomului şi influenţează mişcările orbitale ale electronilor.

Conform relaţiilor (2.2.31) din [1] şi (34), forţa centrifugă a masei unui electron aflat în mişcare orbitală circulară este exprimată prin relaţia

     
(38)

Prin creșterea vitezei unghiulare de rotaţie w_{n, a} cu Dw, forţa centrifugă ce acţionează asupra electronului creşte corespunzător

  (39)

iar  creșterea forței centrifuge este

         (40)

Cum electronul nu poate schimba orbita în sensul măririi razei orbitale, potenţialul de masă fiind constant, înţelegem că şi în cazul forţei centrifuge a masei electronilor, creşterea acesteia este compensată tot prin creşterea coordonatei z, adică prin acelaşi salt pe verticală.

Iată cum încă o dată este dovedită semnificaţia energetică a coordonatei z din relaţiile (31), (32), (33) şi chiar (40).

În concluzie, privitor la încălzirea atomului izolat, putem formula teorema:

Teorema saltului orbital:   Dacă un atom izolat primeşte un plus de energie, adică este încălzit, atunci toţi electronii ce orbitează în jurul nucleului vor face salturi verticale, în sus sau în jos faţă de planul ecuatorial, corespunzătoare noului potenţial de energie obţinut prin încălzire, dar menţinând nemodificată raza orbitei, adică fără a-şi modifica poziţia faţă de axa de rotaţie a nucleului.

   

Prin creşterea continuă a lui Dw, în salturile sale pe verticală din orbită în orbită, electonul atinge suprafaţa exterioară a structurii de energie ce se roteşte în jurul nucleului. La marginea structurii de energie, coordonata z îşi pierde semnificaţia energetică, iar forţa centrifugă, mărită considerabil conform relaţiei (39), aruncă electronul pe o direcţie tangenţială la ultima orbită a acestuia, într-un plan paralel cu planul ecuatorial. Începe procesul de dezintegrare a atomului ce se încheie cu expulzarea tuturor electronilor.

Viteza unghiulară de rotaţie (w_{n, a} + Dw) la care începe dezintegrarea atomului, prin expulzarea electronilor, o notăm cu w_{n, n} ca viteza unghiulară de rotaţie a nucleului care a redus atomul doar la nucleu şi la structura de energie din jurul acestuia.

Prin încălzirea în continuare a atomului şi după expulzarea electronilor, adică prin creşterea în continuare a lui w_{n, n}, creşte considerabil forţa centrifugă a masei nucleului care, conform relaţiei (38), devine 

         
   (41)

în care m_n este masa nucleului iar r_n este distanţa faţă de axa de rotaţie.

Când viteza unghiulară de rotaţie atinge valoarea w_{p, n} = w_{n, n} + Dw, valoare la care forţa centrifugă F_cn devine mai mare decât forţa de atracţie F_anp dintre masele nucleului m_n şi protonului m_p, adică

    
(42)

unde r_p este distanța față de axa de rotație a protonilor și neutronilor marginali ai nucleului.

La atingerea valorii w_{p, n} și îndeplinirea condiției (42), prin desprinderea din nucleu mai întâi a protonilor şi neutronilor marginali, începe dezintegrarea nucleului atomului în protonii şi neutronii componenţi. În urma dezintegrării nucleelor se obţine o plasmă formată din protoni, neutroni şi electronii expulzaţi anterior.

Prin încălzirea în continuare a plasmei formată din protoni şi neutroni, la atingerea vitezei unghiulare de rotaţie w_pe = w_{p, n} + Dw, forţa centrifugă a protonului F_cp devine mai mare decât forţa de atracţie dintre proton şi electron F_ape şi, asemănător dezintegrării nucleului, se dezintegrează şi protonii. Identic se dezintegrează şi neutronii, astfel că la valoarea w_pe a vitezei unghiulare de rotaţie se obţine transformarea plasmei de protoni şi neutroni în plasmă de electroni.

Mişcarea electronilor în plasmă este haotică datorită aruncărilor pe direcţii haotice la expulzarea lor din protoni şi neutroni. Mişcarea haotică a electronilor face inevitabile ciocnirile dintre electroni, ciocniri care sânt şi elastice şi plastice. Ciocnirile plastice, pe de o parte, şi schimbul de energie cu mediul înconjurător, pe de altă parte, fac ca plasma de electroni să  înceapă a se răci.

Prin ciocniri plastice între electronii plasmei în răcire se formează protoni şi neutroni, conform proceselor descrise în capitolul 7 „Plasma fierbinte” din [1]. Apoi, din protoni şi neutroni se formează atomi şi molecule, după procesul descris în capitolul 8 „Atomul şi molecula”.

În continuarea procesului de răcire, molecula parcurge stările de agregare gazoasă, lichidă şi solidă, în sens reversibil celui descris în paragrafele 2, 3 şi 4. 

Am urmărit astfel procesul de încălzire a moleculei, atomului şi nucleului, transformarea nucleelor în plasmă de protoni şi neutroni şi transformarea şi a acesteia în plasma de electroni, dar n-am pomenit nimic de emisia de energie a moleculei şi atomului. O vom face în următoarea postare.

Bibliografia

1  CONSTANTIN TEODORESCU: Structură şi evoluţie. Editura MATRIX ROM. Bucureşti 2016.

Ediţia a 5 – a revizuită şi adăugită.

2  ION DIMA (coordonator): Dicţionar de fizică. Editura enciclopedică română, Bucureşti, 1972.

3  Wikipedia: Articolul „Transmiterea căldurii”.

4  I. N. BRONŞTEIN, K.A. SEMENDEAEV: Spravocinik po matematike dlea injenerov i uciaşcihşia

vtuzov. Izdanie desiatoe stereotipnoe. Izdatelstvo “NAUKA”. Moskva. 1964.