Какое свойство имеет огонь
Добрый день. Сегодня опубликована первая работа из новой коллекции 4 Стихии – https://www.livemaster.ru/item/13447521-ukrasheniya-chetyre-stihii-ogon . В этом блоге я хочу поделиться собранной информацией о стихии огня. Надеюсь она окажется полезной
Свойства: тепло и сухость.
Ключевые слова: энергия, активность, идея.
Культ Огня существовал с самого начала времен. Ему придавалось большое значение, ему поклонялись многие народы Европы, Азии, Америки. Это был не просто культ, а еще и стремление проникнуть в суть мироздания. Не случайно богу Огня посвящено огромное количество гимнов в древнеиндийских Ведах. В «Авесте», в священных книгах зороастризма, бог Огня был одним из главных богов. Он приносит искру, частицу Божественного Огня, в храм Духа, который находится в каждом человеке, пробуждая его к активной деятельности.
Стихия Огня в природе и в человеке существует на разных уровнях, хотя основа у них одна. Древняя мудрость учит, что Огонь – это начало и основа духа, это то, что необходимо в самом себе пробудить, раскрыть, развить, то, что может преобразовать внутреннюю духовную природу личности.
Огонь имеет для человека большое значение, так как именно эта Стихия является первоосновой любой деятельности, любой активности, именно Огонь обусловливает возможность бытия жизни как некой формы активного существования.
Божественная энергия, которая находится внутри каждого человека, не случайно имеет огненное воплощение: человек, получающий откровение, ощущает обновление, он преобразуется, как бы проходит через Огонь, сжигая свое старое и получая новое. Образ Огня лежит в основе всех творений, любой деятельности, будь то творческая, преобразующая, или видоизменяющая, самоотверженная, активно проявляющаяся.
Огонь – это двигатель мира. Это все действия, которые производит человек: мысленные, эмоциональные, ментальные и физические.
Баланс стихии
Преобладающий Огонь дает человеку неиссякаемый источник энергии. Обладатель таких качеств испытывает постоянную жажду деятельности, и только очень серьезные препятствия и длительные периоды неудач способны на время лишить его врожденного оптимизма. Огненный человек с радостью делится с другими людьми идеями, энергией, энтузиазмом.
В людях избыток стихии Огня находит отражение на разных уровнях. На физическом уровне Огонь дает ускоренный обмен веществ, склонность к горячей и острой пище, к воспалительным заболеваниям, высокой температуре и потливости.
Достоинства стихии Огня: динамичность, оптимизм, отвага, энергичность, деятельность, разговорчивость, бодрость, способность быстро принимать решения, уверенность в себе, настойчивость, открытость, добродушность.
Качества проявляемые при дисбалансе стихии: ярость, вспыльчивость, воинственность, чрезмерная агрессивность, склонность впадать в крайности, избыточная целеустремленность, подверженность страстям, избыточное увлечение сексом, взволнованность, бестактность, безответственность, эгоизм, самовлюбленность, импульсивность, возбудимость, нетерпеливость, способность вызывать неприятие у других, снобизм, нетерпимость, зависимость от чужого мнения, склонность к покровительству, стремление к власти, тщеславие, склонность к преувеличениям, способность отстаивать только крайне полярные точки зрения.
Нехватка Огня выражается в отсутствии собственных идей и стимулов к действию. Как будто нет источника энергии, и потому приходится ждать, пока какой-нибудь представитель стихии Огня не подбросит идейку, не осветит поле деятельности – тогда уж можно будет браться за дело.
Основные черты проявления стихии в людях
Люди храбрые, смелые, иногда до безрассудства.
«Горячие головы» – это именно о людях Стихии Огня.
Люди этой Стихии обычно очень энергичны. У них много друзей, причем дружба со стороны такого человека – истинная, верная, непоколебимая. С человеком Стихии Огня можно пойти на разведку и быть уверенным, что он не бросит в беде и предпочтет пожертвовать собой, чем другом. Человек Огня нетерпим к несправедливости и всегда бросается на помощь тому, кто кажется ему несправедливо обиженным.
На эмоциональном уровне будут заметны душевное тепло, страстность, пылкость, стремление согреть другого человека, внушить ему оптимизм. О ярко выраженном представителе стихии Огня мы можем и буквально сказать, что он человек “горячий”.
На интеллектуальном уровне Огонь дает идеализм. В любой информации такой человек ищет самую суть – идею – и не слишком заботится о практической стороне или эмоциональной подоплеке вопроса. В обществе представители стихии Огня играют роль движущей силы, источника энергии. Они придают всем делам и процессам жизненность.
Огонь в человеке проявляется через эмоции. Человек – огонь хорошо ощущает эмоциональное состояние окружающих, их душевные переживания, чувства, волнения. Характеризует поведение человека с точки зрения правил этики. Поступки других оценивает в категориях хорошо или плохо, гуманно или негуманно, честно или нечестно. В работе поощряет других людей своей приятной заботой, а не критикой или замечаниями.
Огонь – это символ, за которым стоит реальность. Людям, родившимся под знаком Огня, свойственен горячий, вспыльчивый характер, живой и проницательный ум, сообразительность, нетерпеливость в мелочах, нерасположенность к длинным объяснениям, умение быстро схватывать главное и масштабно оценивать все сразу. Горячая голова, горячая кровь, ярко выраженная сексуальность. Живая теплота сердца привлекает к ним людей, как магнит.
Принадлежащих к стихии Огня объединяет внутреннее горение, вечное стремление к самосовершенствованию, главенствующее желание самовыражения.
Однако не только положительные черты есть у людей Огня. Нетерпеливость, нетерпимость, торопливость – это все о них. Часто люди Огня несправедливы к другим. Именно о них сложена поговорка про соринку в чужом глазу и бревне в собственном. Они могут совершенно не воспринимать ошибок других людей, но при этом совершать такие же точно действия и считать, что это правильно.
Огонь – это могучая воля к жизни, воплощенная волей Неба в отдельной личности. Стихия Огня всегда индивидуальна, поскольку индивидуальность существования – это основной жизненный принцип. Это то, что помогает возноситься от Земли к Солнцу. Это не только жизнетворный Огонь растущего семени, но и Огонь, который направляет внутреннее устремление сердца к Божественной мудрости, к Космическому Разуму. Огонь одновременно уничтожает старое и создает новое.
Отношения с другими стихиями
Друзей, партнеров, любовников людям Огня следует выбирать из своей Огненной стихии или стихии Воздуха. Огонь может ладить с Землей, однако всегда существует опасность, что Земля остудит и погасит Огонь, а Огонь может обжечь и выжечь Землю.
Огонь несовместим с Водой – Вода либо испарится, превратится в пар и взорвет котел, либо потушит Огонь, оставив дымящиеся головешки. (Хотя и бывают редкие исключения, когда Вода горит в Огне или когда Огонь греет Воду)
Стихия Огня. Знаки – Овен, Лев, Стрелец
Люди этих знаков Зодиака отличаются сообразительностью, живым умом, вспыльчивостью, горячностью, склонностью вспыхивать быстро, подобно лесному пожару. Они не любят пространных объяснений, все схватывают на лету, порывисты, нетерпеливы в мелочах. Люди стихии Огня часто совершают необдуманные действия, предпринимая какие-то шаги до того, как необходимая информация будет собрана и проанализирована. Их стремительность нередко приводит к нежелательным результатам, однако они не выражают недовольства по этому поводу и даже не думают раскаиваться. Обладая горячей головой, горячим сердцем и кровью, взрывным темпераментом, люди данной стихии являются весьма сексуальными. Такие качества, как страстность, теплота души, живость натуры, делают их привлекательными в глазах окружающих. Обычно люди, чьи знаки относятся к стихии Огня, удачливы. Но если это не так, то, напротив, неудачи будут их просто преследовать.
Вторую половину и друзей этим людям стоит выбирать из знаков Огня либо Воздуха, ведь именно последний обеспечивает процесс горения. Несовместимы Огонь и Вода: огонь под ее воздействием гаснет или вода быстро испаряется. Гармоничные отношения с Землей вполне возможны. И все же постоянно сохраняется угроза того, что огонь обожжет землю, а та, в свою очередь, может остудить огонь.
Достоинства: деятельность, бодрость, оптимистичность, динамичность, разговорчивость, талант принимать решения, смелость, привлекательность.
Недостатки: самоуверенность, запальчивость, нетерпеливость, упрямство, поверхностность, склонность сердиться, противоречить другим, всеми командовать; равнодушие, увлеченность флиртом.
Овнов можно назвать «самым огненным огнем», который будет гореть сильно и неугасимо. Огонь Льва «горит» более устойчиво и ровно. Люди этого знака отличаются большей твердостью и последовательностью и меньшей импульсивностью. Огонь Стрельца — это очень изменчивый огонь, который неожиданно вспыхивает молнией, зарницей и столь же быстро затухает.
Людям стихии Огня лучше всего жить в просторном прохладном помещении, оборудованном открытым камином с живым огнем. Оптимальное место работы — прохладное помещение или на открытом воздухе. Им категорически не рекомендуется работать в тесных, ограниченных помещениях, ведь огонь подавляется недостатком воздуха.
P.S. Вся информация из просторов интернета, от себя ничего не придумала)))
Источник
Вы сидите около костра, чувствуете его тепло, ощущаете запах древесного дыма, слышите лёгкое потрескивание. Кажется, на него можно смотреть вечно. На то, как мерцают его угли и взлетают в небо яркие искры. Но задумываетесь ли вы, на что вы смотрите, что вас греет?
Огонь — это не твёрдое вещество. Это понятно даже ребёнку. Но он и не жидкий. Он стремится вверх и кажется, что больше похож на газ — разве что его можно увидеть. Но с точки зрения науки он отличается от газа, потому что тот может пребывать в своём состоянии бесконечно, а огонь рано или поздно тухнет.
Существует заблуждение, что это плазма — четвёртое состояние вещества, в котором атомы лишаются своих электронов. Она тоже, как и огонь, не имеет стабильного состояния на нашей планете. Плазма образуется только тогда, когда газ подвергается воздействию электрического поля или нагревается до температуры в тысячи и десятки тысяч градусов. Но такое топливо, как дерево и бумага, горят при температуре всего в несколько сот градусов — гораздо ниже этого порога.
Что есть огонь на самом деле?
Итак, огонь — это не твёрдое вещество, не жидкость, не газ и не плазма. Что нам вообще остаётся? Наверное, вовсе не считать огонь материей. Это наше чувственное восприятие химической реакции, которая называется горением. В каком-то смысле огонь похож на листья, меняющие цвет по осени, на запах созревающих фруктов, на мерцающий огонёк светлячка. Всё это сенсорные ощущения, говорящие нам о том, что происходит какая-то химическая реакция. Огонь отличается только тем, что задействует одновременно множество наших чувств, создавая такую гамму ощущений, которую мы ожидаем увидеть только от чего-то живого и материального.
В физике (да и в химии тоже) горение (огонь) создаёт эту иллюзию с помощью топлива, тепла и кислорода. Когда дерево внутри костра разогревается то температуры возгорания, стенки составляющих его клеток распадаются, выпуская в воздух сахара и другие молекулы. Они, в свою очередь, вступают в реакцию с находящимся в воздухе кислородом, создавая воду и углекислый газ. В то же время, та вода, что находится в дереве, испаряясь, расширяется — она разрывает органику вокруг себя, создавая тот характерный треск в костре, камине или печи, который мы так любим.
Когда огонь набирает жар, водяные пары и углекислый газ, генерирующиеся в процессе горения, рассеиваются. Теряя плотность, они столбом поднимаются вверх. И расширение, и рассеивание, и воспарение газов — всё это вызывается силой тяжести, которая, вдобавок ко всему, придаёт огню характерную коническую форму. Без гравитации молекулы не разделяются по плотности, и огонь имеет совершенно другую форму.
Какой цвет огня самый горячий
Видим мы всё это благодаря тому, что в процессе горения генерируется световое излучение. Молекулы испускают его, когда нагреваются, и цвет его зависит от температуры элементарных частиц. Самый горячий огонь — белый или голубой. Тип молекул внутри костра также может влиять на цвет. Например, все не вступившие в реакцию атомы углерода образуют небольшие частички сажи, которые, взлетая вверх, испускают жёлто-оранжевый свет. Тот самый, что ассоциируется с костром в первую очередь. Такие вещества, как медь, хлорид кальция и хлорид калия тоже могут добавить свои характерные оттенки в гамму. Костёр — это не только свет, но и тепло. Оно поддерживает огонь, разогревая топливо до или выше температуры возгорания.
В конечном итоге, однако, любой костёр, даже самый большой и жаркий, затухает. Огонь, испустив прощальный дымок, прячется и исчезает. Как будто его и не было никогда. Что ж, такова судьба у всего, что есть в этой Вселенной…
Спасибо, что читаете нас! Если понравился материал, не забудьте поставить лайк и подписаться на канал!
Источник: https://yznavai.ru/chto-takoe-ogon/
Возможно, вас заинтересуют другие наши материалы:
– На каком расстоянии можно заразить окружающих своими вирусами? В предверии сезона ОРВИ и гриппа
– Кислотные дожди есть. А существуют ли щелочные?
– Почему от сладкого болят зубы
– Как на самом деле работает активированный уголь?
– Действительно ли зимой в воздухе меньше кислорода?
– Могут ли собаки унюхивать страх?
Источник
Недавно я разжигал на пляже огонь и понял, что я ничего не знаю про огонь и про то, как он работает. К примеру – что определяет его цвет? Поэтому я изучил этот вопрос, и вот что я узнал.
Огонь
Огонь – устойчивая цепная реакция, включающая горение, которое представляет собой экзотермическую реакцию, в которой окислитель, обычно кислород, окисляет горючее, обычно углерод, в результате чего возникают продукты сгорания, такие как диоксид углерода, вода, тепло и свет. Типичный пример – горение метана:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Тепло, возникающее при горении, может использоваться для питания самого горения, и в случае, когда этого достаточно и дополнительной энергии для поддержания горения не требуется, возникает огонь. Чтобы остановить огонь, можно удалить горючее (отключить горелку на плите), окислитель (накрыть огонь специальным материалом), тепло (сбрызнуть огонь водой) или саму реакцию.
Горение, в некотором смысле, противоположно фотосинтезу, эндотермической реакции, в которую вступают свет, вода и диоксид углерода, в результате чего возникает углерод.
Есть искушение предположить, что при сжигании дерева используются углерод, находящийся в целлюлозе. Однако, судя по всему, происходит нечто более сложное. Если подвергнуть дерево воздействию тепла, оно подвергается пиролизу (в отличие от горения, не требующему кислорода), преобразующий её в более горючие вещества, такие, как газы, и именно эти вещества загораются при пожарах.
Если дерево горит достаточно долго, пламя исчезнет, но тление продолжится, и в частности дерево продолжит светиться. Тление – это неполное горение, в результате которого, в отличие от полного горения, возникает монооксид углерода.
Пламя
Пламя – видимая часть огня. С горением возникает сажа (часть которой является продуктом неполного горения, а часть – пиролиза), которая разогревается и производит тепловое излучение. Это один из механизмов, придающих огню цвет. Также при помощи этого механизма огонь разогревает своё окружение.
Тепловое излучение производится из-за движения заряженных частиц: всё вещество положительной температуры состоит из движущихся заряженных частиц, поэтому оно излучает тепло. Более распространённый, но менее точный термин – излучение абсолютно чёрного тела. Это описание относится к объекту, поглощающему всё входящее излучение. Тепловое излучение часто аппроксимируют излучением АЧТ, возможно, помноженным на константу, поскольку у него есть полезное свойство – оно зависит только от температуры. Излучение АЧТ происходит по всем частотам, и при повышении температуры повышается излучение на высоких частотах. Пиковая частота пропорциональна температуре по закону смещения Вина.
Повседневные объекты постоянно излучают тепло, большая часть которого находится в инфракрасном диапазоне. Его длина волны больше, чем у видимого света, поэтому без специальных камер его не увидеть. Огонь достаточно ярок для того, чтобы выдавать видимый свет, хотя и инфракрасного излучения у него хватает.
Другой механизм возникновения цвета у огня – спектр излучения сжигаемого объекта. В отличие от излучения АЧТ, спектр излучения имеет дискретные частоты. Это происходит благодаря тому, что электроны порождают фотоны на определённых частотах, переходя из высокоэнергетического в низкоэнергетическое состояние. Эти частоты можно использовать для определения присутствующих в пробе элементов. Схожая идея (использующая спектр поглощения) используется для определения состава звёзд. Спектр излучения также отвечает за цвет фейерверков и цветного огня.
Форма пламени на Земле зависит от гравитации. Когда огонь разогревает окружающий воздух, происходит конвекция: горячий воздух, содержащий, помимо прочего, горячую золу, поднимается, а холодный (содержащий кислород), опускается, поддерживая огонь и придавая пламени его форму. При низкой гравитации, к примеру, на космической станции, этого не происходит. Огонь питается диффузией кислорода, поэтому горит медленнее и в виде сферы (поскольку горение происходит только там, где огонь соприкасается с содержащим кислород воздухом. Внутри сферы кислорода не остаётся).
Излучение абсолютно чёрного тела
Излучение АЧТ описывает формула Планка, относящаяся к квантовой механике. Исторически она была одной из первых применений квантовой механики. Её можно вывести из квантовой статистической механики следующем образом.
Мы подсчитываем распределение частот в фотонном газе при температуре T. То, что оно совпадает с распределением частот фотонов, испускаемых абсолютно чёрным телом той же температуры, следует из закона излучения Кирхгофа. Идея в том, что АЧТ можно привести в температурное равновесие с фотонным газом (поскольку у них одинаковая температура). Фотонный газ поглощается ЧТ, также испускающим фотоны, так что для равновесия необходимо, чтобы для каждой частоты, на которой ЧТ испускает излучение, оно и поглощало бы его с той же скоростью, что определяется распределением частот в газе.
В статистической механике вероятность нахождения системы в микросостоянии s, если оно находится в тепловом равновесии при температуре T, пропорциональна
e — β Es
где Es — энергия состояния s, а β = 1 / kBT, или термодинамическая бета (Т – температура, kB — постоянная Больцмана). Это распределение Больцмана. Одно из объяснений этого дано в блогпосте Теренса Тао. Это значит, что вероятность равна
ps = ( 1/Z(β) ) * e — β Es
где Z(β) – нормализующая константа
Z(β) = ∑s e — β Es
называющаяся статистической суммой. Отметим, что вероятности не меняются, если Es изменить на ± константу (что в результате умножает статистическую сумму на константу). Отличаются только энергии разных состояний.
Стандартное наблюдение указывает, что статистическая сумма с точностью до постоянного множителя содержит ту же информацию, что и распределение Больцмана, поэтому всё, что можно посчитать на основе распределения Больцмана, можно посчитать и из статистической суммы. К примеру, моменты случайной величины для энергии описываются
< Ek > = (1/Z) * ∑s Eks * e — β Es = ( (-1)k / Z ) * ∂k / ∂ βk * Z
и, вплоть до решения задачи моментов, это описывает распределение Больцмана. В частности, средняя энергия будет равна
< E > = — ∂/∂β log Z
Распределение Больцмана можно использовать как определение температуры. Оно говорит, что в некотором смысле, β – более фундаментальная величина, так как она может быть нулевой (что означает равную вероятность всех микросостояний; это соответствует «бесконечной температуре») или отрицательной (в этом случае более вероятны микросостояния с высокими энергиями; это соответствует “отрицательной абсолютной температуре”).
Для описания состояния фотонного газа нужно знать что-то по поводу квантового поведения фотонов. При стандартном квантовании электромагнитного поля поле можно рассматривать как набор квантовых гармонических осцилляций, каждая из которых осциллирует с разными угловыми частотами ω. Энергии собственных состояний гармонического осциллятора обозначаются неотрицательным целым n ∈ ℤ ≥ 0, которое можно интерпретировать, как количество фотонов частоты ω. Энергии собственных состояний (с точностью до константы):
En = n ℏ ω
где ℏ — это редуцированная постоянная Планка. То, что нам нужно отслеживать только количество фотонов, следует из того, что фотоны относятся к бозонам. Соответственно, для постоянной ω нормализующая константа будет
Zω (β) = ∑ [n=0; ∞] e-nβℏω = 1 / ( 1 — e-βℏω )
Отступление: неправильный классический ответ
Предположение что n, или, эквивалентно, энергия En = n ℏ ω, должно быть целым, известно, как гипотеза Планка, и исторически это, возможно, было первым квантованием (в применении к квантовой механике) в физике. Без этого предположения, с использованием классических гармонических осцилляторов, сумма выше превращается в интеграл (где n пропорционально квадрату амплитуды), и мы получаем «классическую» нормализующую константу:
Zклω (β) = ∫[0; ∞] e — n β ℏ ω dn = 1 / βℏω
Две этих нормализующих константы выдают очень разные предсказания, хотя квантовая приближается к классической, когда βℏω → 0. В частности, средняя энергия всех фотонов частоты ω, подсчитанная через квантовую нормализующую константу, получается
< E > ω = — d / dβ * log 1/( 1 — e-βℏω ) = ℏω / ( eβℏω — 1 )
А средняя энергия, подсчитанная через классическую нормализующую константу, будет
< E >клω = — d/dβ * log(1/βℏω) = 1/ β = kBT
Квантовый ответ приближается к классическому при ℏω → 0 (на малых частотах), а классический ответ соответствует теореме о равнораспределении в классической статистической механике, но совершенно расходится с опытами. Она предсказывает, что средняя энергия излучения АЧТ на частоте ω будет константой, независимой от ω, и поскольку излучение может происходить на частотах любой высоты, получается, что АЧТ излучает бесконечное количество энергии на любой частоте, что, конечно же, не так. Это и есть т.н. “ультрафиолетовая катастрофа”.
В свою очередь, квантовая нормализующая константа предсказывает, что на низких частотах (относительно температуры) классический ответ приблизительно верен, но на высоких средняя энергия экспоненциально падает, при этом падение получается большим при меньших температурах. Это происходит потому, что на высоких частотах и низких температурах квантовый гармонический осциллятор большую часть времени проводит в основном состоянии, и не переходит так легко на следующий уровень, что вероятность чего экспоненциально ниже. Физики говорят, что большая часть этой степени свободы (свободы осциллятора колебаться на определённой частоте) «замораживается».
Плотность состояний и формула Планка
Теперь, зная, что происходит на определённой частоте ω, необходимо просуммировать по всем возможным частотам. Эта часть вычислений классическая и никаких квантовых поправок делать не надо.
Мы используем стандартное упрощение, что фотонный газ заключён в объём со стороной длиной в L с периодическими граничными условиями (то есть, реально это будет плоский тор T = ℝ3 / L ℤ3). Возможные частоты классифицируются по решениям уравнения электромагнитных волн для стоячих волн в объёме с указанными граничными условиями, которые, в свою очередь, соответствуют, с точностью до множителя, собственным значениям лапласиану Δ. Точнее, если Δ υ = λ υ, где υ(x) – гладкая функция T → ℝ, тогда соответствующее решение уравнения электромагнитной волны для стоячей волны будет
υ(t, x) = ec √λ t υ(x)
и поэтому, учитывая, что λ обычно отрицательная, и значит, √λ обычно мнимый, соответствующая частота будет равна
ω = c √(-λ)
Такая частота встречается dim Vλ раз, где Vλ — λ-собственное значение лапласиана.
Упрощаем мы условия при помощи объёма с периодическими граничными условиями потому, что в этом случае очень просто записать все собственные функции лапласиана. Если использовать для простоты комплексные числа, то они определяются, как
υk(x) = ei k x
где k = (k1, k2, k3) ∈ 2 π / L * ℤ3, волновой вектор. Соответствующее собственное значение лапласиана будет
λk = — | k |2 = — k21 — k22 — k23
Соответствующей частотой будет
ωk = c |k|
и соответствующей энергией (одного фотона этой частоты)
Ek = ℏ ωk = ℏ c |k|
Здесь мы аппроксимируем вероятностное распределение по возможным частотам ωk, которые, строго говоря, дискретны, непрерывным вероятностным распределением, и подсчитываем соответствующую плотность состояний g(ω). Идея в том, что g(ω) dω должна соответствовать количеству доступных состояний с частотами в диапазоне от ω до ω + dω. Затем мы проинтегрируем плотность состояний и получим окончательную нормализующую константу.
Почему эта аппроксимация разумна? Полную нормализующую константу можно описать следующим образом. Для каждого волнового числа k ∈ 2 π / L * ℤ3 существует число nk ∈ ℤ≥0, описывающее количество фотонов с таким волновым числом. Общее количество фотонов n = ∑ nk конечно. Каждый фотон добавляет к энергии ℏ ωk = ℏ c |k|, из чего следует, что
Z(β) = ∏k Z ωk(β) = ∏k 1 / ( 1 — e-βℏc|k| )
по всем волновым числам k, следовательно, его логарифм записывается, как сумма
log Z(β) = ∑k log 1 / ( 1 — e-βℏc|k| )
и эту сумму мы хотим аппроксимировать интегралом. Оказывается, что для разумных температур и больших объёмов подынтегральное выражение меняется очень медленно с изменением k, поэтому такая аппроксимация будет весьма близкой. Она перестаёт работать только при сверхнизких температурах, где возникает конденсат Бозе-Эйнштейна.
Плотность состояний вычисляется следующим образом. Волновые векторы можно представить в виде равномерных точек решётки, живущих в «фазовом пространстве», то есть, количество волновых векторов в некоем регионе фазового пространства пропорционально его объёму, по крайней мере, для регионов, крупных по сравнению с шагом решётки 2π/L. По сути, количество волновых векторов в регионе фазового пространства равно V/8π3, где V = L3, наш ограниченный объём.
Остаётся вычислить объём региона фазового пространства для всех волновых векторов k с частотами ωk = c |k| в диапазоне от ω до ω + dω. Это сферическая оболочка толщиной dω/c и радиусом ω/c, поэтому её объём
2πω2/c3 dω
Поэтому плотность состояний для фотона
g(ω) dω = V ω2/ 2 π2 c3 dω
На самом деле эта формула в два раза занижена: мы забыли учесть поляризацию фотонов (или, что эквивалентно, спин фотона), которая удваивает количество состояний для данного волнового числа. Правильная плотность:
g(ω) dω = V ω2/ π2 c3 dω
То, что плотность состояний линейна в объёме V работает не только в плоском торе. Это свойство собственных значений лапласиана по закону Вейла. Это значит, что логарифм нормализующей константы
log Z = V / π2 c3 ∫[0; ∞] ω2 log 1 / ( 1 — e — βℏω ) dω
Производная по β даёт среднюю энергию фотонного газа
< E > = — ∂/∂β log Z = V / π2 c3 ∫[0; ∞] ℏω3 / ( eβℏω — 1 ) dω
Но для нас важно подынтегральное выражение, дающее «плотность энергий»
E(ω) dω = Vℏ / π2 c3 * ω3 / ( eβℏω — 1 ) dω
описывающее количество энергии фотонного газа, происходящее от фотонов с частотами из диапазона от ω до ω + dω. В итоге получилась форма формулы Планка, хотя с ней нужно немного поиграть, чтобы превратить в формулу, относящуюся к АЧТ, а не к фотонным газам (нужно поделить на V, чтобы получить плотность в единице объёма, и проделать ещё кое-что, чтобы получить меру излучения).
У формулы Планка есть два ограничения. В случае, когда βℏω → 0, знаменатель стремится к βℏω, и мы получаем
E(ω) dω ≈ V / π2 c3 * ω2/β dω = V kB T ω2 / π2 c3 dω
Это вариант закона Рэлея — Джинса, классического предсказания по излучению АЧТ. Он примерно выполняется на низких частотах, но на высоких расходится с реальностью.
Во-вторых, при βℏω → ∞, знаменатель стремится к eβℏω, и мы получаем
E(ω) dω ≈ V ℏ / π2 c3 * ω3/ eβℏω dω
Это вариант приближения Вина. Он примерно выполняется на высоких частотах.
Оба этих ограничения исторически возникли раньше самой формулы Планка.
Закон смещения Вина
Такого вида формулы Планка достаточно, чтобы узнать, на какой частоте энергия E(ω) максимальна при температуре T (и, следовательно, какого примерно цвета будет АЧТ при температуре Т). Мы берём производную по ω и находим, что необходимо решить следующее:
d/dω ω3 / (eβℏω — 1) = 0
или, что то же самое (беря логарифмическую производную)
3/ω = βℏeβℏω / (eβℏω — 1)
Пусть ζ = βℏω, тогда перепишем уравнение
3 = ζ eζ / (eζ — 1)
Или
3 – ζ = 3e-ζ
С такой формой уравнения легко показать существование уникального положительного решения ζ = 2,821…, поэтому, учитывая, что ζ = βℏω и максимальная частота
ωmax = ζ/βℏ = ζ kB/ℏ * T
Это закон смещения Вина для частот. Перепишем с использованием длин волн l = 2πc/ ωmax
2πc/ ωmax = 2πcℏ / ζ kB T = b/T
Где b = 2πcℏ / ζ kB ≈ 5,100 * 10-3 мК (метр-Кельвин). Этот расчёт обычно делается слегка по-другому, сначала выражая плотность энергий E(ω) dω через длины волн, и затем получая максимум результирующей плотности. Поскольку dω пропорциональна dl/l2, ω3 меняется на ω5, и ζ заменяется на уникальное решение ζ’
5 — ζ’ = 5e-ζ’
что примерно равно 4,965. Это даёт нам максимальную длину волны
lmax = 2πcℏ / ζ’ kB T = b’/T
где
b’ = 2πcℏ / ζ’ kB ≈ 2,898 * 10-3 мК
Это закон смещения Вина для длин волн.
У горящего дерева температура равна примерно 1000 К, и если мы подставим это значение, то получим длину волны
2πc/ ωmax = 5,100 * 10-3 мК / 1000 К = 5,100 * 10-6 м = 5100 нм
И
lmax = 2,898 * 10-3 мК / 1000 К = 2,898 * 10-6 м = 2898 нм
Для сравнения, длины волн видимого света находятся в диапазоне от 750 нм для красного до 380 нм для фиолетового. Оба подсчёта говорят о том, что большая часть излучения от дерева происходит в инфракрасном диапазоне, это излучение греет, но не светит.
А вот температура поверхности солнца составляет порядка 5800 К, и подставив её в уравнения, получим
2πc/ ωmax = 879 нм
И
lmax = 500 нм
что говорит о том, что Солнце излучает много света во всём видимом диапазоне (и потому кажется белым). В некотором смысле этот аргумент работает задом наперёд: возможно, видимый спектр в ходе эволюции стал таким, поскольку на определённых частотах Солнце излучает больше всего света.
А теперь более серьёзное вычисление. Температура ядерного взрыва достигает 107 К, что сравнимо с температурой внутри Солнца. Подставим эти данные и получим
2πc/ ωmax = 0,51 µм
И
lmax = 0,29 µм
Это длины волн рентгеновского излучения. Формула Планка не останавливается на максимуме, поэтому ядерные взрывы выдают излучение и с меньшими длинами волн – а именно, гамма-лучи. Ядерный взрыв производит это излучение только из-за своей температуры – из-за своей ядерной природы взрыв производит, например, нейтронное излучение.
Источник