Химический потенциал вакансий и термодинамика

При рассмотрении процесса адиабатического расширения газа (воздуха) при объяснении причины охлаждения в зоне вытекающей струи из баллона для соблюдения условий математики берут работу с отрицательным знаком в формуле:

δQ= - δА, где δQ внутренняя энергия, - δА работа.

Причем работа совершается за счет убыли внутренней энергии.
Рассматривая адиабатические процессы, чтобы удовлетворить закону сохранения энергии вводят химический потенциал, при этом химический потенциал имеет следующее определение - ”Первый случай имеет место, когда в системе, протекают химические реакции. Второй-это случай равновесия двух или большего числа фаз какого-либо вещества” [Л.1]. Поэтому изменение числа вакансий в веществе можно рассматривать как изменение состава вещества и как обмен веществом с окружающей средой при изменении температуры окружающей среды.
 “Химический потенциал является однозначной функцией концентрации соответствующих частиц. Поэтому наличие разности химических потенциалов означает наличие разности концентраций, а разность концентраций, естественно, вызывает перемещение – диффузию частиц в направлении от большей концентрации к меньшей. Таким образом, химический потенциал характеризует возможность диффузии свободных частиц (независимо от наличия или отсутствия зарядов), подобно тому, как электрический потенциал характеризует возможность дрейфа свободных частиц (если они являются носителями заряда) “[Л. 2].
Обычно рассматривают классический вариант, то есть химический потенциал  рассматривают как термодинамический потенциал, отнесенный к одной  молекуле (частице) [Л.3].     
При адиабатическом сжатии имеет место возникновение тепла в нагнетаемом сосуде, которое рассеивается в окружающую среду. Имеет место довольно парадоксальная ситуация - возникает тепло при адиабатическом сжатии или холод при адиабатическом расширении, а переносчика проявления тепла (холода) нет. Есть только фиксация факта, при адиабатическом сжатии происходит  тепловыделение, при адиабатическом расширении локальное охлаждение в месте расширения.
При введении в рассматриваемый термодинамический процесс частиц, являющихся переносчиками энергии (тепла), все становится на свои места. В твердом теле такими переносчиками энергии, в дальнейшем тепла (холода) являются структурные дефекты-вакансии, которые жестко связаны количественно с температурой по формуле Больцмана в определенном объеме.

NV = NA exp (-Ea /kT),

где NA -- число Авогадро, Еa - энергия активации вакансий, k -- постоянная Больцмана, Т -- температура.
Вакансии обладают объёмом, упругостью, время возникновения вакансий -  1*10-13…10-14 сек. [Л.4], [Л.5].
Вакансии, взаимодействуя с приложенным электрическим потенциалом при определенных масштабных факторах, обуславливают износ проводниковых и полупроводниковых структур [Л.6].
Во всех случаях при появлении температурного градиента и приложении электрического потенциала возникает зона локального энергетического воздействия, [ЛЭВ], например, из-за геометрической неоднородности и температурного градиента, обусловленной ею.
При взаимодействии вакансий с потоком электронов, они уходят из зоны максимума температурного градиента, унося тепло, однако, она вновь возникает там, после достижения вновь температуры, обуславливающей её появление, таким образом, возникает “генератор вакансий” появление которого и определяет массу явлений в технике и природе.
В процессе сжатия, например, воздуха, в баллон объёма V1 второго объёма равного V1 , число вакансий, по идее, должно возрасти вдвое, однако, баллон в первоначальный момент греется при адиабатическом сжатии, а затем остывает, при этом число вакансий в объёме сжатого воздуха (газа) уже  соответствует объёму по закону Больцмана. Видимо, в случае рассматриваемых термодинамических процессов газовых средах необходимо рассматривать энергию активации вакансий, как и в твердом теле.
При рассмотрении процессов, происходящих в проводниковых и полупроводниковых структурах [Л4], [Л5], [Л6] видно, что вакансии проявляют  себя как частицы переносящие энергию. В [Л4] показано, что в полупроводниковых р-п-структурах появление  “дырочного” тока (появление дополнительных носителей тока (электронов), обусловлена возникновением механических напряжений при переходе вакансий из металлургического перехода в п-структуру в механизме процессов, происходящих в полупроводниковом диоде. При этом необходимо помнить, что вакансии, возникая в малом объёме и уходя из него под воздействием приложенного потенциала, охлаждают р-п-переход.
В [Л5] при рассмотрении явлений:
 -Томсона, фиксируется перенос тепла (холода) из зоны температурного градиента при протекании по проводнику тока;
-Зеебека ”что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает эдс ( термоэдс), если места контактов поддерживаются при разных температурах”;
-Пельтье эффекте (явление Пельтье) – “выделение или поглощение дополнительной, помимо джоулевой, теплоты при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от направления” (определения явлений приведены по [Л.7]);
показано, что вакансии являясь структурными дефектами, одновременно являются переносчиками энергии, обуславливая нагрев или охлаждение.
Если полагать, что химический потенциал в термодинамике не что иное, как, потенциал, относящийся вакансиям, то становится возможным объяснить ту часть физических процессов, в которых имеет место появление тепла (холода).
Например, при рассмотрении физических процессов в линейных молниях фиксируется в головке молнии температура 40 000..50 000 0К и охлаждение канала молнии, определяемое в [Л8] как “белое пятно”. Предложенная парадигма переноса энергии вакансиями в термодинамических процессах при приложении электрического потенциала позволяет объяснить такое явление. Естественно, при наличии приложенного потенциала в линейной молнии, вакансии, возникшие в канале молнии, перемещаются в головку молнии, обуславливая рост температуры в некотором объёме и, одновременно охлаждая канал молнии, если точка приложения молнии имеет отрицательный потенциал.
По такому же сценарию происходит возникновение горячих точек в мантийных плюмах, когда протекающие токи земного геодинамо [Л9], суммируясь с токами, возникающими при электромагнитных бурях, обуславливают разогрев головки мантийных плюмов.
Многостадийный процесс представляет собой явление возникновения циклонов (антициклонов), где предложенная парадигма переноса энергии в термодинамических процессах позволяет объяснить возникновение циклонов и антициклонов, обусловленных взаимодействием вакансий с токами геодинамо планеты суммируясь с токами солнечно – магнитных бурь, обуславливают их возникновение, но эти рассмотрения выходят за рамки настоящей статьи.
По мнению автора, рассмотрение и введение вакансий, как переносчиков энергии в термодинамических процессах окажется достаточно плодотворным для пересмотра устоявшихся парадигм в части природных  и  технических явлений.
Литература.

  • Р.Р. Салем, Физическая химия термодинамики, Москва. ФИЗМАТЛИТ, 2004.
  • И. П. Степаненко, Основы теории транзисторов и транзисторных схем, Энергия. Москва. 1967.
  • Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц,Теоретическая физика, том 5, Статистическая физика, часть1, Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2002
  • А.Е.Клиот, О физических процессах, происходящих  в р-п переходе, журнал “Электроника ” , №5, 2006
  • А.Е.Клиот, О роли вакансий в термомеханических и термоэлектрических явлениях, журнал “Электроника” №1, 2007
  • Клиот А.Е. Механизм износа и разрушения электро-/радиоэлементов под воздействием приложенного напряжения. - Качество и надежность изделий, 1991, № 4.
  • Т.И. Трофимова, Физика в таблицах и формулах, Москва, изд. Дрофа, 2004.
  • Э.М. Базелян,  Ю.П. Райзер, Физика молнии и молниезащиты, Москва. Физматлит, 2001.
  • Аплонов С.В. Геодинамика - С-П - Изд. С - Петербургского университета, 2001.
5
Средняя: 5 (1 голос)
Ключевые слова: