Как излучение преобразуется в тепло?

[ellipse]

Все началось с вопросов: почему химическое реакции приводят к нагреванию или охлаждению вещества? в каком виде запасена так наз. химическая энергия? как она преобразуется в кинетическую энергию движения частиц? Химики на одном форуме сделали предположение, что при разрыве или образовании хим. связей выделяется эм-излучение, которое и приводит к нагреванию. Допустим это так.
Теперь возникает вопрос: как вообще энергия какого-либо вида эм излучения при поглощении преобразуется в кинетическую энергию частиц?

[Munin]

ellipse в сообщении #808875 писал(а):

Химики на одном форуме сделали предположение, что при разрыве или образовании хим. связей выделяется эм-излучение, которое и приводит к нагреванию. Допустим это так.

Это неправильно (точнее, так происходит, но в меньшинстве случаев).

Проще всего рассмотреть химическую реакцию в газовой фазе. Происходит что-то типа $\mathrm{A+B\to C+D}+E\text{ Дж}.$ Что при этом происходит физически? Сталкиваются две частицы, налетают друг на друга, бац - реакция, и разлетаются уже другие две частицы. Если бы реакции не было бы ($\mathrm{A+B\to A+B}$), то выполнялся бы закон сохранения энергии:

$$\dfrac{m_{\mathrm{A}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{A}1}^2}{2}+\dfrac{m_{\mathrm{B}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{B}1}^2}{2}=\dfrac{m_{\mathrm{A}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{A}2}^2}{2}+\dfrac{m_{\mathrm{B}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{B}2}^2}{2}.$$

Он вместе с законом сохранения импульса даёт возможные скорости частиц после столкновения. Но поскольку произошла реакция, то закон сохранения энергии выглядит так:

$$\Bigl(\dfrac{m_{\mathrm{A}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{A}}^2}{2}+\dfrac{m_{\mathrm{B}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{B}}^2}{2}\Bigr)+E=\dfrac{m_{\mathrm{C}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{C}}^2}{2}+\dfrac{m_{\mathrm{D}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{D}}^2}{2}.$$

То есть, к начальным кинетическим энергиям частиц добавилась энергия реакции, и она перешла в кинетические энергии разлетающихся частиц.

Это - базовая схема, на которую могут накручиваться всякие усложнения. Например, одна из частиц может оказаться в возбуждённом квантовом состоянии, и тогда она несёт "запас энергии", который дополнительно отдаст потом другой частице при последующем столкновении - в итоге, всё равно всё перейдёт в кинетическую энергию, которая и есть тепловая. Кроме того, тепловая энергия в достаточно больших молекулах может запасаться не только в виде чисто $\dfrac{mv^2}{2},$ но и в виде вращений и колебаний молекулы - "включаются" вращательные и колебательные степени свободы. Но это тоже уже вещь часто существенно квантовая: вращения и колебания происходят в виде отдельных уровней энергии. В принципе, некоторые возбуждённые квантовые уровни могут приводить и к электромагнитному излучению, но это происходит далеко не всегда: существует множество запретов.

В жидкой фазе химические реакции, по сути, происходят так же. Но молекулы расположены очень плотно, и постоянно друг с другом сталкиваются. Поэтому в чистом виде такое событие "слетелись - столкнулись - прореагировали - разлетелись" выделить практически нельзя. И пока молекулы сближаются, и пока они реагируют, и пока расходятся - они испытывают множество столкновений с соседями. Поэтому та энергия, которую они получили от реакции - быстро распределяется по многим молекулам: и по самим продуктам реакции, и по их соседям.

ellipse в сообщении #808875 писал(а):

Теперь возникает вопрос: как вообще энергия какого-либо вида эм излучения при поглощении преобразуется в кинетическую энергию частиц?

А этот вопрос оказывается просто не нужен.

[ellipse]

Цитата:

Но поскольку произошла реакция, то закон сохранения энергии выглядит так:

$$\Bigl(\dfrac{m_{\mathrm{A}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{A}}^2}{2}+\dfrac{m_{\mathrm{B}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{B}}^2}{2}\Bigr)+E=\dfrac{m_{\mathrm{C}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{C}}^2}{2}+\dfrac{m_{\mathrm{D}}^{\hphantom{2}}v_{\mathrm{D}}^2}{2}.$$

То есть, к начальным кинетическим энергиям частиц добавилась энергия реакции, и она перешла в кинетические энергии разлетающихся частиц.

Это - базовая схема, на которую могут накручиваться всякие усложнения. Например, одна из частиц может оказаться в возбуждённом квантовом состоянии, и тогда она несёт "запас энергии", который дополнительно отдаст потом другой частице при последующем столкновении

Опять эти таинственные +E и "запас энергии". Какова природа силы, меняющей импульс частиц?

Цитата:

этот вопрос оказывается просто не нужен.

Нужен. Этот вопрос интересен сам по себе. Понимаю, что это просто не объяснить, но все-таки расскажите хоть в общих чертах и укажите направление, куда копать.

[Xey]

ellipse в сообщении #809280 писал(а):

Какова природа силы, меняющей импульс частиц?

А чем не подходит электростатика. Энергия связи зависит от расстояния между атомами. Молекулы кислорода и водорода не могут соединиться в нормальных условиях, мешает горбик на кривой. При нагреве горбик уже преодолевается и атомы притягиваются друг к другу , летят навстречу и сталкиваются, но разлететься уже не могут.
От столкновения возбуждаются вращательные , колебательные и электронные уровни образовавшейся молекулы (воды). Потом они приходят в норму, расталкивая соседние частицы или излучая кванты.
Кванты могут поглотиться соседними молекулами , а потом переизлучиться ими или безызлучательно перейти в колебания молекулы

[Munin]

ellipse в сообщении #809280 писал(а):

Какова природа силы, меняющей импульс частиц?

Эти силы относятся к квантовой механике и к электрическим силам между ядрами и электронами. Объяснить их вам, не прибегая к квантовой механике, нельзя.

Но подумайте над такой задачей (частный случай задачи трёх тел). Представьте себе два обращающихся друг вокруг друга массивных тела (например, Солнце и Юпитер). Из бесконечности с начальной скоростью на них летит третье тело (комета). "Издалека" можно рассматривать это событие как столкновение кометы и системы. Пролетая близко к Солнцу и к Юпитеру, комета может за счёт гравитационного манёвра получить ускорение, или наоборот, замедлиться. Пусть, для определённости, она ускорилась. Тогда она улетает прочь, и "издалека" мы видим, что две системы разошлись с большей кинетической энергией, чем они имели до столкновения. Откуда она взялась? Она отнялась от взаимного движения Солнца и Юпитера, то есть из внутренней энергии двухчастичной системы.

Аналогично, внутри молекул запасено много разной внутренней энергии, связанной с тем, как взаимно расположены атомы, и в каких состояниях находятся электроны. Эта энергия и меняется в химических реакциях: запасается или высвобождается.

ellipse в сообщении #809280 писал(а):

Нужен. Этот вопрос интересен сам по себе. :wink: Понимаю, что это просто не объяснить, но все-таки расскажите хоть в общих чертах и укажите направление, куда копать.

Если копать, то это последовательно несколько толстых учебников: по электродинамике, по квантовой механике, по квантовой электродинамике. Всё зависит от того, насколько глубоко вы готовы копать.

В общих чертах, ускоренно движущийся электрический заряд излучает электромагнитные волны. Волны уносят энергию. Переменное электромагнитное поле, создаваемое таким зарядом, действует на него самого (реакция излучения), тормозит его, и таким образом, отнимает энергию. В обратную сторону, по сути, то же самое: электрическое и магнитное поле электромагнитной волны действуют на заряд, разгоняют его, болтают туда-сюда, и таким образом, передают ему энергию.

В квантовом случае ситуация сложней. Электрон не всегда излучает, но когда он может свалиться с излучением на более низкий уровень - излучает. Причём, в стандартный курс квантовой механики рассмотрение этого излучения не входит, а все высокие уровни рассчитываются как стабильные. Дело в том, что там настолько непростая математика, что приходится ждать до курса квантовой электродинамики. Но физика, в общем-то, та же самая, электромагнитная: электрические и магнитные поля дёргают за заряд, и сами страдают от него.

-- 04.01.2014 00:52:40 --

Xey в сообщении #809300 писал(а):

А чем не подходит электростатика. Энергия связи зависит от расстояния между атомами. Молекулы кислорода и водорода не могут соединиться в нормальных условиях, мешает горбик на кривой. При нагреве горбик уже преодолевается и атомы притягиваются друг к другу , летят навстречу и сталкиваются, но разлететься уже не могут.

Ну, в общем, примерно так оно и есть, но объяснить эту кривую словом "электростатика" - обман :-) На самом деле, кривая объясняется квантовой механикой (включая электростатику, конечно же).