Почему кусок металла сохраняет температуу окружающей среды, а не мгновенно разогревается до миллионов градусов?
Итак, металлы. В них очень высокая концентрация свободных электронов - 6.5 х 10 в двадцать второй степени электронов в одном кубическом сантиметре. И эти электроны хаотически движутся в межионном пространстве кристаллической решётки металлов со скоростями от 600 до 2000 км/сек. Кинетическая энергия таких электронов - несколько электрон-вольт.
Причём энергия эта остаётся ПОСТОЯННОЙ, НЕЗАВИСИМО от температуры металла в пределах от температур, близких к Абсолютному нулю и до десяти тысяч градусов по шкале Кельвина.
В ВУЗовских учебниках и физических энциклопедиях, конечно же, говорится в точности обратное! Там - полная неразбериха. В одних местах утверждается, что КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В МЕТАЛЛАХ НЕ ЗАВИСИТ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ШИРОКИХ ПРЕДЕЛАХ, ОТ КРИОТЕМПЕРАТУР, БЛИЗКИХ К АБСОЛЮТНОМУ НУЛЮ (ПОЭТОМУ ЭНЕРГИЮ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ЧАСТО НАЗЫВАЮТ "НУЛЕВОЙ"), И ДО ДЕСЯТИ ТЫСЯЧ ГРАДУСОВ. То есть то, что только что утверждалось.
В других, столь же авторитетно, "аргументированно" и безапелляционно, провозглашается ОБРАТНОЕ, что, де, ТЕПЛОЁМКОСТЬ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКРОНОВ (ЭТО И ЕСТЬ ПРИРОСТ ИХ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ЕДИНИЦУ РОСТА ТЕМПЕРАТУРЫ) ЗАВИСИТ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ ПРИ ОБЫЧНЫХ ТЕПЕРАТУРАХ ОБУСЛОВЛЕНА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ, ПРИЧЁМ НАМНОГО БОЛЬШЕЙ, ЧЕМ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ!
Как это часто бывает в физике и в других науках, многоумные учёные перепутали ПРИЧИНУ и СЛЕДСТВИЕ.
Представьте себе такой мысленный эксперимент. Некие инопланетяне на невидимом для землян зонде наблюдают за людьми. В одном большом и густонаселённом городе происходит землетрясение, НЕВЕДОМОЕ инопланетянам, у них на планете такого НИКОГДА НЕ БЫВАЕТ! Они видят многотысячные толпы людей в панике бегущих из города, слышат гул, исходящий от почвы и делают вывод, что и гул и сотрясения почвы вызваны непонятном БЕГОМ толп людей, ударяющих в почву и каменные плиты под ней десятками и сотнями тысяч НОГ!
Так же, возможно, произошло с нашими представлениями о роли свободных электронов в теплопередаче. Они, де, "разогреваются" -- получают дополнительную кинетическую энергию, и, будучи свободными, быстро несут тепло во все стороны металла, чего с диэлектриками не происходит.
А причина другая. Свободные электроны как раз и появились из-за специфически организованных перекрывающихся электронных орбит, деформация которых, (тепловая энергия) как раз и передаётся быстро по цепочкам ВНЕШНИХ ОРБИТ, а свободные электроны никакой тепловой энергии не переносят!
В связи упомянутыми фактами: Высокой концентрацией, большими скоростями электронов и постоянством их скорости возникает естественный, хотя и странно выглядящий вопрос: Почему металлы не саморазогреваются практически мгновенно до температур в миллионы и десятки миллионов градусов?
Если считать среднюю энергию электронов в куске металла равной трём электрон-вольтам (на каждый электрон), то нетрудно сделать примерный подсчёт и получить, что один кубический сантиметр металла должен саморазогреться энергией в 32.5 квтч, то есть 32.5 киловаттчаса!!!
(1эв = 1.6 х 10 в минус девятнадцатой степени ватт-часа. Округлим энергию каждого электрона до пяти на десять в минус девятнадцатой ватт-часа. Умножим это число на количество свободных электронов в одном кубическом сантиметре металла 6.5 х 10 в двадцать второй степени. 5 х 6.5 х 1000 втч = 32.5 квтч!)
ВСЕГО В ОДНОМ КУБИЧЕСКОМ САНТИМЕТРЕ!
И, учитывая скорости в тысячу, скажем, километров в секунду этих шести с половиной на десять в двадцать второй степени свободных электронов в кубике, и межатомные расстояния в решётке, эта громадная энергия выделится не за час или минуту, а за микро-нано-пико-секунды!!!
Термоядерный взрыв кубического сантиметра!
Речь идёт о металлах, но мне представляется, что нечто схожее происходит и в диэлектриках, где тоже есть "потенциальные" свободные электроны, о чём говорит известное уже тысячелетия явлении электризации "трением", хотя само "трение" играет лишь роль механического сближения-разделения доннорно-акцепторной электронной диссипации, то есть рассеяния, распределения электронов между двумя диэлектрниками.
Вопрос основывается на общеизвестном явлении разогрева металлических проводников электрическим током, так называемое Джоулево тепло. Ведь, если крайне медленно дрейфующие электроны тока (скорости в тысячные, сотые, десятые доли миллиметров в секунду) могут разогреть металлический проводник до высоких температур, то почему те же хаотически летающие электроны со скоростямив миллиарды раз превышающими максимально технически допустимую скорость дрейфа, не оказывают никакого теплового воздействия на металл. Их энергия превышает энергию дрейфующих электронов уже не в миллиарды раз, а в тысячи миллиардов миллиардов раз! Если принять за истину столь же абсурдное, но ОБЩЕПРИНЯТОЕ положение, что эти электроны упруго сталкиваются с ионами решётки, а при дрейфе тоже сталкиваются и рассеиваются на примесных дефектах решётки и на её тепловых фононах (то есть колебаниях ионов), то это лишь усиливает недоумение по поводу такой странной "вкусовой" избирательности в обмене импульсами-энергией между свободными электронами и ионами металла. При дрейфе они сталкиваются с ионами и дефектами решётки и отдают им свою НИЧТОЖНЕЙШУЮ кинетическую энергию, а при хаотическом полёте с энергей в миллиарды миллиардов бОльшей, скупятся и НИЧЕГО НЕ отдают этим самым ионам и дефектам!
Вдобавок возникает ещё один вопрос: Почему свободные электроны вообще обладают такими высокими скоростями, тем паче, если это скорости так называемой "нулевой энергии" при наинизшей криотемпературе, и они неизменны. Неплохая, заметим, "нулевая энергия" в миллиарды миллиардов раз превышающая энергию дрейфа!
Ответы на заданные вопросы, к сожалению, существующие теории не дают, а, если и дают, то противоречащие друг другу и придуманые ad hoc, как это и было показано выше.
Попытаемся дать ответы с помощью двух теорий: Молекулярно-Электрической Теории и Конфигурационной Теории Электроных Орбит.
Свободные электроны имеют те скорости, с которыми они вращаются на внешних орбитах атомов, с которых периодически "слетают", ибо притяжение к ядру слабое, а потом возвращаются и снова слетают... Это и есть скорости свободных электронов и их причина.
Никаких "столкновений", упругих или неупоругих, с ионами в узлах кристаллической решётки не происходит, иначе бы, действительно, любой кусок металла мгновенно испарялся бы со взрывом, сравнимым по мощности с атомной или водородной бомбой и с температурой в десятки миллионов градусов. Электроны ПРОСТО возвращаются на внешние атомные орбиты и спонтанно, под действием случайных причин с них слетают.
Джоулево тепло, выделяющееся в металле, когда по нему идёт ток, не связано с "рассеянием" электронов дрейфа на дефектах решётки или её тепловых колебаниях, а вызвано МАГНИТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ спиновых магнитных полей электронов, ОРИЕНТИРОВАННЫХ определённым ("сцепляющимся") образом с магнитными полями атомов и ионов решётки. Поскольку любой ток, то есть некое упорядоченное движение облака свободных электронов, создаёт и вихревое магнитное поле, то как раз ЭТО ПОЛЕ и ориентирует спиновые магнитные моменты электронов так, что они начинают интенсивно взаимодействовать с магнитными полями ионов в узлах кристаллической решётки, ДЕФОРМИРУЯ ОРБИТЫ СВЯЗАННЫХ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ, то есть придавая ионам дополнительную потенциальную энергию, которая макроскопически и является ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИЕЙ. Чем больше степень деформации, орбит и чем больше разных орбит деформированно, тем больне приданная атому потенциальная энерия этих орбит и тем больше и тепловая его энергия, то есть "температура" атома и макротемпература вещества.
Если свободные электроны в металлах НЕ ПЕРЕНОСЯТ энергии с места на место (ибо ИХ ЭНЕРГИЯ НЕ ЗАВИСИТ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ) то единственным объяснением теплопроводности металлов может быть только специфическая "конфигурация" внешних электронных орбит атомов и ионов, которые деформируются при поглощении тепла и быстро передают по цепочке эти деформации соседним атомам. На это "намекает" и коэффициент теплового линейного и объёмного расширения металов, более высокий, чем у диэлектриков!
Свободные электроны в металлах, конечно же не сталкиваются с ионами металла в узлах кристаллической решётки, а или просто летают с огромными скоростями внутри неё или "садятся" на их "собственные" орбиты и слетают с них. То есть никаких прибавок или убавлений энергии в целом НЕТ!
Но, летая в межионном пространстве, они своими электрическими и магнитными полями (двойного происхождения - от кинетики электронов и их спиновые магнитные моменты) совершенно очевидно ДОЛЖНЫ как-то влиять на орбиты связанных атомных электронов.
КАК?
Два противоположных эффекта:
Один - это деформация орбит в сторону накопления ими потенциальной энергии деформации - тепловая энергия - НАГРЕВ!
Другой - обратный, "исправление деформированных" орбит в сторону их "идеализации", то есть "РЕДЕФОРМАЦИЯ" - возвращение к их "идеальному состоянию, удаление накопленной за счёт деформации орбит потенциальной энергии - ОХЛАЖДЕНИЕ!
Причём в соответствии с общеизвестным феноменом, сформулированным Клаузиусом, именно: "Тепло никогда самопроизвольно не переходит о холодного тела к горячему", охлаждение любой системы, предоставленной самой себе, является преобладающим и всеобщим.
Второе начало термодинамики, сформулированное наподобии оригинального определения Клаузиуса.
Поскольку свободные электроны в металлах при отсутствии внешних электрических и магнитных полей движутся хаотически, их полевые деформационные воздействия на орбиты атомных электронов также носят случайный характер: Одни "нагревают" атомы, другие их "охлаждают".Процессы равны по амплитуде и противонаправлены, тем уравновешивая друг друг друга. Разумеется, речь идёт о неком балансе и со средой, благодаря чему металлы находятся в термодинамическом равновесии с ней.
С этих позиций и следует рассматривать термоэлектрические и термомагнитные явления, в частности, дополнительное глубокое охлаждение предварительно уже охлаждённых до криотемператур образцов металла их размагничиванием.