a_round_loaf


Я верую в светлый разум!..

Знание не имеет хозяев


Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Парадоксы физики: Остужай, чтобы нагреть!
a_round_loaf

В статье Парадоксы физики: Тормози, чтобы разогнаться! я намеренно допустил следующее упрощение: орбиты искусственных спутников бывают не только круговыми. Если же говорить о естественных космических телах, то они практически всегда эллиптические. Но, как справедливо заметил iodiot , парадокс при эллиптической орбите исчезает. Точнее, он прячется за постоянным изменением высоты и скорости спутника. Но суть от этого не меняется: при разгоне спутника его апогей становится выше и скорость в апогее — ниже.

Сейчас я хочу рассмотреть другой случай. Предположим, что где-то в глубоком космосе, вдали от любых гравитационных полей и излучающих объектов находится большое газовое облако. Достаточно большое, чтобы оно удерживалось от разлета собственным тяготением. Для простоты пусть оно не вращается и существует достаточно давно, чтобы все в нем выравнялось и пришло в равновесие. Такое облако будет иметь сферическую форму.

Внутренние области облака будут сжаты давлением вышележащих, поэтому плотность газа будет плавно увеличиваться от периферии к центру.

Частицы, из которых оно состоит, будут двигаться по различным эллипсам вокруг центра масс, который будет находиться в центре облака. При этом, те частицы, которые имеют небольшую полную механическую энергию (см. Врезку 1), «проваливаются» во внутренние области — тем глубже, чем меньше их энергия, а те, чья полная механическая энергия большая — поднимутся в верхние слои облака — тем выше, чем больше их энергия. Применив случай со спутниками из предыдущей статьи, мы сразу поймем, что частицы во внутренних слоях будут двигаться быстро, а во внешних — медленно.

Теперь вспомним молекулярно-кинетическую теорию газов. Не всю, только то, что температура тела определяется кинетической энергией составляющих его частиц. Согласно этому правилу, в центре облака температура будет выше, чем на его границе. Центр будет горячим, а окраина — холодной.

Здесь я намеренно сделал еще два упрощения.

Первое — я «забыл» о столкновениях частиц. На самом деле, это важный момент, потому что при столкновении происходит перераспределение кинетической энергии и импульса. Но, если столкновения упругие (см. Врезку 2), то столкновения в среднем ничего не меняют.

Второе — гравитация внутри облака ослабевает, потому что «в зачет» идут только та масса, которая находится ближе к центру, чем частица, а слои, находящиеся выше, уравновешивают друг друга. Но это может повлиять на наши рассуждения только количественно, но не качественно, потому что плотность газа растет по направлению к центру, следовательно, гравитация центральных областей возрастет.

Такое облако может существовать очень долго,по крайней мере до тех пор, пока не появится какое-то внешнее воздействие, которое все нарушит.

Теперь «включим» неупругие столкновения: пусть, если энергия столкновения превышает некоторую величину, испускается фотон (см. Врезку 3). Мы увидим, что при таких столкновениях механическая энергия частиц уменьшается, они проваливаются на более низкие орбиты, где их скорость увеличивается. Такое, испускающее электромагнитное излучение, то есть теряющее энергию облако, вместо того, чтобы остыть, как все нормальные тела, сжимается и разогревается(!).


Такое облако, сжимаясь и разогреваясь, испускает все больше и больше энергии в виде электромагнитного излучения все большей и большей энергии — радиоволны, микроволны, инфракрасные лучи, наконец, видимый свет. Плотность и температура в центральной области растет, атомы теряют свои электроны — первоначально холодный газ превращается в плазму. Наконец, при температуре 15-20 миллионов градусов начинается термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Так рождаются звезды.


P.S.

В этом рассказе еще немало упрощений: я не рассмотрел вращение облака — а вращаются все облака; я ничего не сказал о влиянии галактического магнитного поля на сжатие облака; о том, что важную роль в остывании облака играет пыль; о том, что часто мощным толчком, запускающим образование сразу многих звезд из одного облака бывает близкий взрыв сверхновой, который одновременно насыщает облако тяжелыми элементами, из которых потом получаются планеты.

А на некоторых из планет возникает жизнь...


Врезка 1. Полная механическая энергия.

Полной механической энергией называется сумма потенциальной и кинетических энергий тела. При движении по эллиптической орбите постоянно часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, потом — наоборот, при этом полная механическая энергия не изменяется.

Врезка 2. Упругие и неупругие столкновения.

Упругое столкновение — столкновение, при котором сумма кинетических энергий взаимодействующих тел постоянна. При неупругом столкновении часть или вся кинетическая энергия переходит в другие виды энергии — тепловую, эдектрическую, магнитную и т.д.

Врезка 3. Испускание фотона при столкновении атомов или молекул.

На самом деле, фотон при столкновении не испускается. При столкновении атом может перейти в возбужденное состояние, то есть его электрон перейдет на более высокий энергетический уровень. А уж после этого при переходе электрона обратно испускается фотон. Между этими двумя процессами может пройти и очень маленькое время, так, что они произойдут практически одновременно, и очень большое. В последнем случае такие возбужденные атомы накапливаются в газе, что позволяет высвободить их энергию в одном мощном импульсе — так работает лазер.

В межзвездных облаках тоже может произойти такое, и тогда целое облако работает, как гигантский космический лазер, точнее мазер, потому что они испускают не видимый свет, а микроволновое излучение.


  • 1
В рассждениях дырка. Как раз в том месте, где "гравитация внутри облака ослабевает". Это влияет на рассуждения не только количественно, но и качественно. Если внутри облака гравитация слабее, то более быстрые частицы там не могут удерживаться графитационным полем.
Надо тщательнее считать.
С одной стороны, из-за приближения к центру гравитирующего объекта гравитация усиливается квадратично. С другой стороны, из-за уменьшающегося объёма она уменьшается как третья степень. С третьей стороны, плотность растёт из-за давления вышележащих слоёв...

Я сделал вел свои рассуждения так, будто вся гравитирующая масса расположена в центре. Это, конечно, не так. Но есть два момента:
1. Давление, которое будет расти к центру, соответственно, плотность центральных областей будет возрастать. Изменение гравитационной силы будет уже не линейным, как в случае равномерной плотности, и картина приблизится к моему допущению. Центральные области будут притягивать сильнее. В какой-то момент наступит равновесие, и облако будет иметь горячий плотный центр и холодную разреженную окраину.
2. Если "включить" излучение, уносящее с собой гравитационную энергию, то сжатие центра возобновится, плотность и температура его будет увеличиваться, пока не заработают термоядерные реакции.

Как то так...
Посчитать, к сожалению, не смогу, слишком давно все это было, многое потерялось... :-(

А не будет ли вещество с "окраины" будет распыляться по просторам Вселенной? Как я понимаю, продукты термоядерной реакции тоже будут иметь достаточно высокую скорость, и, возможно, тоже разлетятся.

Продукты-то имеют большую скорость, но они находятся в центральной области звезды и не могут просто так прорваться сквозь верхние слои. Энергия постепенно просачивается, в основном посредством конвекции или излучения (как правило в звезде существуют и конвективные слои, и зоны лучистого переноса), но на поверхности она "размазывается" по большему объему и внешние слои имеют гораздо меньшую температуру (в центре Солнца температура ~10-15 млн K, а фотосфера - ~5800 K), то есть скорости атомов меньше.
Тем не менее, поверхность звезды постоянно испускает потоки звездного вещества ("звездный ветер") тем больше, чем массивней звезда и, следовательно, выше ее температура.

  • 1
?

Log in

No account? Create an account