Της Δήμητρας Σπανού , Χημικού, Καθηγήτριας Β/θμιας Εκπ/σης
Με την μελέτη της κβαντικής θεωρίας στο ηλεκτρομαγνητικόπεδίο, στο ισχυρό πυρηνικό και το ασθενές πυρηνικό πεδίο φάνηκαν καθαρά οι ομοιότητές τους, όσον αφορά την ύπαρξη φερμιονίων (διαφορετικών ανά πεδίο ) και τα είδη των μποζονίων που ανταλλάσσονται προκειμένου να μεταφερθεί κάποιου τύπου ενέργεια. (φωτόνιο, γλοιόνιο, μποζόνιο Z και W ).
Δεν γνωρίζουμε ακριβώς τι είναι ένα βαρυτόνιο γιατί η βαρύτητα είναι μακροσκοπικό μέγεθος και τα στοιχεία που συλλέγουμε είναι κυρίως από την αστροφυσική
Στον ατομικό κόσμο, η βαρύτητα είναι τρομερά ασήμαντη. Η βαρυτική έλξη σε ένα ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα είναι 1041 φορές ασθενέσθερη από την ηλεκτρική έλξη
Σύμφωνα με την θεωρία ανταλλαγής , οι διάφορες δυνάμεις που αναπτύσσονται δηλαδή, οι ηλεκτρομαγνητικές, οι ισχυρές πυρηνικές και οι ασθενείς πυρηνικές σχετίζονται με την ανταλλαγή δυνητικών σωματιδίων (μποζονίων).
Λογικό ήταν να υποθέσουμε ότι κάτι ανάλογο συμβαίνει και για την βαρύτητα. Αποδείχθηκε όμως η μελέτη της είναι η δυσκολότερη όλων, πράγμα αναμενόμενο.
Αναφερόμαστε σε διαστημικά σώματα δηλαδή ,"κοιτάμε' προς το σύμπαν που μας περιβάλλει (ένα σύμπαν μάζας) , που είναι τέτοιες οι διαστάσεις του ώστε δεν είναι εύκολο να το "έχουμε" ώστε να έχουμε υπολογίσιμα αποτελέσματα.
Όμως πριν από αυτό, θα πρέπει να δούμε λίγο προς την ύλη
1. Τι είναι η ύλη
Η πραγματική ύλη συντίθεται από στοιχειώδη σωμάτια που είναι βασικά αδιαχώριστα μεταξύ τους. Οι διακριτές μονάδες στις οποίες συνδιάζονται τα στοιχειώδη σωμάτια για να σχηματίσουν τις στοιχειώδεις μονάδες πρέπει να είναι πάντα οι ίδιες
Οι κβαντικές θεωρίες που συναντήσαμε μέχρι τώρα επηρεάζουν μικροκαταστάσεις.
Πότε η ύλη μπορεί να εμφανίσει κυματική συμπεριφορά
Για να επιρρεάσουν τα κβαντικά φαινόμενα μια μάκροκατάσταση πρέπει οι στοιχειώδεις μονάδες να συμπεριφέρονται σε όλη την διάρκεια της διαδικασίας σαν απλές μάζες, χωρίς δομή , χωρίς καμμία μεταβολή της εσωτερικής τους καταστάσεως, τότε μόνο θα έχουμε μια συνολική συμπεριφορά κύματος
2. Τι είναι η θερμοδυναμική ισορροπία ενός μακροσκοπικού συστήματος
Αυτά τα μακροσκοπικά συστήματα εμφανίζουν την τάση να βρίσκονται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Δηλαδή, πρέπει να υπάρχει ο μεγαλύτερος δυνατός αριθμός εναλλαγών του μικροσκοπικού σχηματισμού ( θέση, ενέργεια, ορμή των σωματιδίων) και ταυτόχρονα να διατηρείται η αριθμητική κατανομή των σωματιδίων στον χώρο σύμφωνα με τους περιορισμούς που έχουν τεθεί, (συνήθως σταθερή ολική ενέργεια και σταθερός όγκος)
Ένα θερμοδυναμικό σύστημα π.χ. ένα αέριο μπορεί να να περιγραφεί από τις θερμοδυναμικές μεταβλητές πίεση,όγκο,θερμοκρασία και μάζα
.jpg)
Εάν βέβαια οι περιορισμοί αυτοί αλλάξουν (παράδειγμα η ενέργεια) αλλάζει και η κατανομή αυτή
.gif)
και μεταβαίνουν σε μια νέα θερμοδυναμική ισορροπία.
Ο νόμος αυτός είναι νόμος της Στατιστικής Μηχανικής και ισχύει για συστήματα με διακριτές μονάδες μεγάλου πλήθους που μπορεί να είναι σωματίδια αλλά και φωτόνια. εφ όσον μπορεί να είναι διακριτά και να έχουν αμελητές αλληλοεπιδράσεις μεταξύ τους . Το μόνο που αφορά την Στατιστική Μηχανική είναι ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων και οι κατανομές τους .
Λογικά τότε ότι μεταβολές του αριθμού αυτού των σωματιδίων του συστήματος , που μπορεί να προκύπτουν από χημικές και πυρηνικές αντιδράσεις μεταβάλουν την θερμοχημική ισορροπία αναλόγως
3. Τι είναι η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος
Εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος είναι το άθροισμα των ενεργειών των σωματιδίων που το απαρτίζουν που μπορεί να οφείλονται στην σχετική κίνησή τους στις τρεις κατευθύνσεις ως προς κέντρο μάζας του συστήματος , αλλά και στην περιστροφή ή στις ταλαντώσεις που τυχόν υπάρχουν σε πολυατομικά μόρια.
Για την ευκολότερη μελέτη της εσωτερικής ενέργειας ξεκινάμε από τα ιδανικά αέρια που είναι μονοατομικά και δεν αντιδρούν μεταξύ τους, τα μόριά τους δεν αλληλοεπιρρεάζονται ούτε αντιδρούν. Η ενέργειά τους οφείλεται μόνο στην άτακτη σχετική τους κίνηση ως προε το κέντρο μάζας του συστήματος και είναι 1/2ΚΤ ανά κατεύθυνση ή αλλιώς ανά βαθμό ελευθερίας τους Συνολικά για ιδανικά αέρια η εσωτερική ενέργεια ανα μόριο είναι 3/2 ΚΤ
Εάν όμως πρόκειται για διατομικά αέρια όπως το οξυγόνο και το άζωτο που απαρτίζουν την γήινη ατμόσφαιρα έχουμε αντίστοιχα 5/2 ΚΤ γιατί προστίθενται ακόμα 2 βαθμοί ελευθερίας από περιστροφη , (εφ' όσον είναι όλοι ισοδύναμοι) ενώ αν έχουμε δονούμενα μόρια έχουμε 7/2 ΚΤ.
Για στερεά σώματα μονοατομικά η εσωτερική ενέργεια ανά μόριο είναι 3ΚΤ
Πόση είναι η Πίεση που ασκούν τα μόρια ενός ιδανικού αερίου; Ισχύει P=nKT όπου n είναι ο αριθμός των σωματιδίων ανά μονάδα όγκου
4. Τι είναι η Εντροπία
Η εντροπία S είναι η έννοια που συνδέεται με το μέτρο της εσωτερικής αταξίας στην οποία τείνουν όλα τα θερμοδυναμικά συστήματα. Μια μορφή εντροπίας είναι η θερμοδυναμική εντροπία που αφορά μόνο θερμικές μεταβολές, είναι και συνδέεται με την κίνηση των σωματιδίων, διακρίνουμε όμως και την άλλες μορφές όπως αυτές που συνδέονται με την εσωτερική αναδιάταξη των χημικών ενώσεων
Ο τύπος για την εντροπία είναι S=kln(W) όπου Κ η σταθερά του Boltzman και W οάριθμός των μικροκαταστάσεων του συστήματος. Η Εντροπία φαίνεται να γίνεται μέγιστη όταν στο σύστημα συναντάμε τον μεγιστο αριθμό μικροκαταστάσεων
Μικροκατάσταση ενός συστήματος ονομάζουμε καθεμία από τις τεράστιες σε πλήθος καταστάσεις που μπορεί να βρεθεί το σύστημα και περιγράφεται από το σύνολο των διεγερμένων καταστάσεων των ατόμων του
Για την Ιστορία...
Σε απομονωμένα συστήματα η αύξηση της εντροπίας συνδέεται με θερμική ενέργεια που δε μπορεί πια να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή έργου. Η αύξηση της εντροπίας συνδέεται με την παύση της ζωής ενώ η ζωή έχει την ικανότητα να μειώνει την εντροπία ενός συστήματος
5. Τι είναι ενθαλπία
Στην Χημεία ορίζεται σαν η ενέργεια που προσφέρεται κατά τη θέρμανση ουσιών και που εγκλωβίζεται στα μόριά τους
Στην θερμοδυναμική αντιπροσωπεύει και αποτελεί άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας ενός σώματος και του γινομένου της εσωτερικής πίεσης επί του όγκο που καταλαμβάνει μια ουσία H = U + P V
Η ενέργεια αυτή οφείλεται στις δυνάμεις των χημικών δεσμών που συγκρατούν τα άτομα μέσα στο μόριο, αλλά και στη κίνηση των ατόμων, των ηλεκτρονίων καθώς και του ίδιου του μορίου
6. Πως μπορεί να μεταβληθεί η Εσωτερική Ενέργεια ενός Συστήματος;
Ένα κλειστό σύστημα που αλληλοεπιδρά με το περιβάλλον μπορεί να μεταβάλλει την εσωτερική του ενέργεια
Αδιαβατική μεταβολή
Συμβαίνει όταν συμβαίνουν μεταβολές στο σύστημα (V, Τ, n) χωρίς να παρατηρείται ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον
Δηλαδή, χωρίς να παρατηρείται διάδοση θερμότητας προς ή από το σύστημα μπορεί όμως να μεταβληθούν και η θερμοκρασία και ο όγκος:
Q = 0 U2 – U1 = ΔU = – W
διακρίνουμε
Αδιαβατικές εκτονώσεις/ψύξεις, όπου αυξάνεται ο όγκος και μειώνεται η θερμοκρασία του αερίου.
Αδιαβατικές συμπιέσεις/θερμάνσεις, όπου ο όγκος μειώνεται και η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται
Ισόχωρη μεταβολή
Aνταλλαγή ενέργειας με το περιβάλλον σε μια ισόχωρη μεταβολή όπου ΔV=0 .
Η ενέργεια που απορροφά μεταβάλλει την εσωτερική του ενέργεια κατά την αλγεβρική τιμή της Q, δηλ. ΔU = Q.
Σε μια ισόχωρη μεταβολή η θερμοκρασία παραμένει σταθερή και dQ =TdS =ΔU
Ισoβαρής μεταβολή
Πραγματοποιείται υπό σταθερή πίεση, p = σταθ. ΔU, Q, W ≠ 0.
Πραγματοποιείται με έργο από ή προς το σύστημα. Όταν το σύστημα παράγει έργο προς το περιβάλλον, χωρίς να παίρνει ενέργεια, τότε μειώνεται η εσωτερική του ενέργεια.W= -ΔU . Και το αντίστροφο αυξάνεται -W= ΔU
Ας θεωρήσουμε πως,
7.Στο αχανές Σύμπαν, η μεσοαστρική σκόνη, και τα μεσοαστρικά αέρια καθώς και τα φωτόνια,
ακολουθούν την θερμοδυναμική συμπεριφορά ιδανικού αερίου
Στο Σύμπαν παρατηρούμε τα άστρα και τους πλανήτες που βρίσκονται ανάμεσα σε αχανή και άδεια μεσοδιασήματα
Όμως ,
Ανάμεσα στα άστρα υπάρχει τεράστια ποσότητα ύλης. Την ύλη αυτή αποτελείται από μεσοαστρική σκόνη και μεσοαστρικά αέρια.
Η μεσοαστρική σκόνη αποτελείται από κόκκους στερεάς ύλης στον μεσοαστρικό χώρο. Η χημική της σύσταση είναι κυρίως ενώσεις του πυριτίου, ή ενώσεις που περιέχουν άνθρακα.
Τα αέρια αυτά είναι τόσο αραιά, ώστε εδώ στην γη θα το καταγράφαμε σαν κενό χώρο. Όμως οι τεράστιες αποστάσεις μεταξύ των άστρων στο αχανές διάστημα κάνουν την συνολική ποσότητα αυτής της ύλης σημαντική όσο και αυτή που υπάρχει στα αστρα και που έχει συμπυκνωθεί λόγω ιδιοβαρύτητας.
Λόγω του ότι τα μόρια της μεσοαστρικής ύλης, χωρίζονται από τεράστιες αποστάσεις, θα συμπεριφέρονται σαν ανεξάρτητα σωματίδια που κινούνται ελεύθερα. Αυτή είναι η συμπεριφορά ενός τελείου αερίου
Η μεσοαστρική σκόνη σε περιπτώσεις απορροφά το φως αστρικών σμηνών (εξάλειψη) και αλλάζει την λαμπρότητάτους όταν παρεμβάλεται ανάμεσα
Ακόμα αλλάζει το χρώμα προς το ερυθρό και αυτό οφείλεται σε σωματίδια της σκόνης, διαστάσεων στα όρια του ορατού , που σκεδάζουν την κυανή ακτινοβολία του φάσματος (μικρότερου μήκους κύματος) και αφήνουν την ερυθρή να φτάσει σε εμάς. (ερυθρίαση)
Αντίστοιχα εμφανίζονται επίσης και φαινόμενα σκέδασης και ανάκλασης και αυτό κάνει εμφανή την μεσοαστρική σκόνη με ορισμένους τρόπους όπως τα νεφελώματα.
Αντίστοιχα με την μεσοαστρική σκόνη τα μεσοαστρικά αέρια παράγουν γραμμές απορρόφησης.
Από μελέτες προέκυψε ότι το αέριο αυτό είναι ψυχρό και αραιό, βρίσκεται σε διακριτές συμπυκνώσεις (νέφη) και κινούνται λίγο ως πολύ με συνάφεια ως ενότητες
Τελικά η αστρική σκόνη και τα αέρια γεμίζουν τον μεσοαστρικό χώρο, όμως η πυκνότητά τους σύμφωνα με τα δικά μας μέτρα είναι τόσο μικρή όσο είναι για μας μεγάλο το διάστημα. Η μέση διαδρομή ενός φωτονίου από έναν κόκκο αστρικής σκόνης μέχρι να συναντήσει τον επόμενο υπολογίστηκε περίπου 3000 έτη φωτός. Η ακτίνα αυτών των κόκκων είναι περίπου 10-7 m.
Η ακτίνα κάποιων μικρών συνηθισμένων μορίων άνθρακα είναι της τάξης του 10-10 m.
Ας συνεχίσουμε με την παραδοχή ότι
8. Η μεσοαστρική σκόνη και αέρια αποκτούν κυματοειδή συμπεριφορά
Η συμπίεση ενός αερίου επιφέρει μια μεταβολή στον όγκο του που μπορεί να μεταφέρεται στον χώρο σαν Πιεστικό (ωστικό) κύμα.
Αν όμως η μεταβολή υπερβεί μια τιμή ισορροπίας τότε η συμπιεσμένη ή αποσυμπιεσμένη περιοχή θα διασταλεί ή θα συσταλεί ξανά, δημιουργώντας μια ταλάντωση που διαδίδεται σαν κύμα. Ένα παράδειγμα τέτοιου είναι το ακουστικό κύμα που έχει ανάλογη συχνότητα ώστε να γίνεται αντιληπτό από διάφορα ζώα και τον άνθρωπο σαν ήχος . Δεδομένου ότι οι συμπιέσεις ή αποσυμπιέσεις σε διαστημικά σώματα είναι τεράστιες και του γεγονότος ότι το μεσοαστρικό διάστημα δεν είναι κενό αλλά αποτελείται από μεσοαστρικό υλικό που μπορεί να παίξει τον ρόλο του μέσου μεταφοράς καταλήγουμε στο αυτονόητο αλλά ταυτόχρονα αδιανόητο συμπέρασμα
πως
πιθανότατα να έχουμε διάδοση ωστικών κυμάτων στο αχανές διάστημα που μεταφράζονται σε αυξομειώσεις στην πίεση ή την πυκνότητα του μεσοαστρικού υλικού , οι οποίες μεταφέρονται στον χώρο, με ταυτόχρονη βέβαια την μεταφορά αντίστοιχης ενέργειας που προέρχεται από ένα κύμα αυτό
Την παραγωγή αυτου του κύματος μπορεί να ωφείλεται σε μεταβολές σε κάποιων ουράνιων σωμάτων που θερμαίνεται πολύ και για να εκτονωθούν είτε διαστέλλονται ή εκτινάσουν υλη και θερμότητα ώστε με κάποιον τρόπο δημιουργούνται κύματα πίεσης.
Με ο κύμα αυτό έχουμε μια ροή ορμής στο διάστημα. Αυτή οφείλεται αφ ενός στην ορμή των σωματιδίων του υλικού λόγω της άτακτης κίνησής τους (που είναι προς όλες τις κατευθύνσεις και αφ' ετέρου στην κίνηση τους προς την κατεύθυνση του κύματος.
Αυτή η ροή ορμής είναι Ρ+ρυ2
Ο όρος ρυ2 ονομάζεται και Πίεση πρόσπτωσης και αν θεωρήσουμε ότι προκαλεί μεταβολές στην εσωτερική ενέργεια των περιοχών που καταφθάνει ενώ θεωρούμε ταυτόχρονα ότι δεν υπάρχουν άλλες επιδράσεις από ηλιακή ακτινοβολία, ιξώδες, θερμική αγωγή) τότε η μεταβολή στην εσωτερική ενέργεια ανά σωματίδιο στις περιοχές αυτές μπορεί να θεωρηθείι d(3kT/2m) εφ όσον θεωρήσαμε ότι πρόκειται για περιοχές των οποίων η συμπεριφορά τους προσεγγίζει αυτήν του ιδανικού αερίου.
Αυτή δε σύμφωνα με την θεωρία της θερμοδυναμικής είναι ίση με τον ρυθμό που η Πίεση αποδίδει Έργο ανά σωματίδιο -Pd(dV/dm)
9. Αλλαγη φάσεων με μεταβολή της Πίεσης και της Θερμοκρασίας
Ποιες επιδράσεις μπορεί να έχει η στην ύλη του διαστήματος
Η αύξηση της πίεσης μπορεί να υγροποιήσει αέρια , και έτσι μπορούμε να συμπεράνουμε
πως πιεστικά κύματα στο διάστημα μπορούν αντίστοιχα να υγροποιήσουν νεφελώματα του διαστήματος
Τα μόρια των αερίων βρίσκονται σε συγκριτικά μεγάλες αποστάσεις και δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά μεταξύ τους ενώ τα μόρια των υγρών βρίσκονται σε κοντινότερες αποστάσεις μεταξύ τους σε σχέση με αυτά των αερίων
Η μετατροπή αερίου σε υγρό ή στερεό απαιτεί να έρθουν τα μόρια του πλησιέστερα το ένα στο άλλο - Αυτό μπορεί να γίνει με δυο τρόπους με την συμπίεση οπότε μειώνεται ο όγκος και μικραίνουν οι μεταξύ τους αποστάσεις ή με την ψύξη οπότε μειώνεται η θερμική κίνηση
Η αύξηση της πίεσης που συνοδεύεται με μεταβολή στον όγκο μπορεί να επιρεάσει τις αποστάσεις των σωματιδίων μεταξύ τους αλλά και τις συνδέσεις τους. Το τελευταίο είναι δυνατόν να αλλάξει την φυσική τους κατάσταση
Συνήθως η μετατροπή του αερίου σε υγρό γίνεται σε αρχικό στάδιο αύξησης της Πίεσης . Τα μόρια του αερίου προσανατολίζονται αρχικά στην πιο κατάλληλη θέση και αυτό παράγει μια συνισταμένη έλξη μεταξύ τους. Αν αυτή η έλξη είναι αρκετά ισχυρή μπορεί να έχουμε αλλαγή φάσης και το αέριο να υγροποιηθεί. Αν όμως στην συνέχεια έχουμε περαιτέρω αύξηση της πίεσης στο υγρό αυτό τότε θα επιρρεαστούν τα ηλεκτρονιακά περιβλήματα των μορίων και η τυχόν αλληλοεπικάλυψή τους θα δημιουργήσεις ισχυρές αντίθετες απωστικές δυνάμεις
Η δυναμική ενέργεια U(r) των διαμοριακών δεσμών είναι αντιστρόφως ανάλογη της αποστάσεως μεταξύ των διπόλων r. Η δυναμική ενέργεια U(r) των διαμοριακών δεσμών είναι αρνητική Το αρνητικό πρόσημο σημαίνει ότι οι αντίστοιχες δυνάμεις είναι ελκτικές
11. Μια λογική εξήγηση για το φαινόμενο αυτό
Η μηχανική ενέργεια που μεταφέρεται από τα ωστικά κύματα του διαστήματος, μπορεί να προκαλέσει μεταβολές στην μεσοαστρική ύλη όπως να μεταφέρει μηχανική ενέργεια και να προκαλέσει αύξηση στην θερμοκρασία . Σύμφωνα με τις αρχές της θερμοδυναμικής :
Αν η μεταφορά ενέργειας υπό μορφή θερμότητας γίνει με σταθερή πίεση τότε dQ = dU+pdV
Ενώ εάν γίνει υπό σταθερό όγκο U2 – U1 = ΔU = Q και U2 – U1 = ΔU = Q
Από αυτά φαίνεται αυτό που ισχύει για την θερμοχωρητικότητα ενός σώματος υπό σταθερή πίεση και υπό σταθερό όγκο
Η Θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση είναι μεγαλύτερη από την θερμοχωρητικότητα υπό σταθερό όγκο Cp = Cv + R
Όταν λοιπόν το ωστικό κύμα συναντήσει αέριες μάζες αρχικά για τους λόγους που αναφέρθηκαν μπορεί να τις υγροποιήσει και στην συνέχεια η απώλεια ενέργειας μεταφέρει την ισορροπία στην στερεά κατάσταση στην οποία η θερμοχωρητικότητα είναι χαμηλώτερη
Τα μόρια των στερεών είναι συμπιεσμένα σε κοντινές αποστάσεις μεταξύ τους έτσι ώστε να μην μπορούν να ¨ξεφύγουν¨ το ένα από το άλλο.
Τα μόρια που συγκροτούν τα υγρά και τα στερεά συγκρατούνται από δυνάμεις που ονομάζονται ονομάζονται διαμοριακές. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί που συγκρατούν τα άτομα σε ένα μόριο είναι ενδομοριακές δυνάμεις Οι διαμοριακές δυνάμεις είναι πολύ ασθενέστερες από τις ενδομοριακές (π.χ. 16 kJ/mol έναντι 431 kJ/mol για το HCl)
Αν οι διαμοριακές δυνάμεις ασκούνται μεταξύ ομοειδών μορίων ονομάζονται δυνάμεις συνοχής, ενώ οι ασκούμενες μεταξύ ετεροειδών μορίων δυνάμεις συνάφειας. Οι συνήθεις από αυτές είναι: α. Ελκτικές δυνάμεις μεταξύ ιόντος και διπόλου β.Ελκτικές δυνάμεις διπόλου - διπόλου γ. Δυνάμεις διασποράς - London Μεταξύ μορίων που δεν παρουσιάζουν ηλεκτρική ροπή
Πότε ένα ωστικό (πιεστικό) κύμα του διαστήματος που προέρχεται από κάποια πηγή είναι ικανό να δημιουργήσει τέτοιες μεταβολές πυκνώματα αραιώματα στην μεσοαστρική ύλη ώστε να μπορούμε να την διακρίνουμε σαν νεφελώματα ή σαν άλλα αέρια υγρά ή στερεά ουράνια σώματα;
12. Η περίπτωση του δικού μας ήλιου
Σύντομη περιγραφή του ήλιου μας.
Είναι άστρο μικρομεσαίου μεγέθους και διατηρεί μια μακρόχρονη ισορροπία μάζας όγκου και λαμπρότητας λόγω των δυο αντίρροπων δυναμικών του. Της βαρυτικής έλξης του που του προκαλέι συρρίκνωση, και των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων στο κέντρο του που προκαλούν 15000000 βαθμούς Κέλβιν και φωτόνια υψηλής ενέργειας τα οποία οδεύουν προς την επιφάνεια. Μετά από μια απειρία συγκρούσεων που κάνουν αυτήν την βασανιστική έξοδο- άνοδο να διαρκεί περί τα 30000 έτη φωτός. φτάνουν στα επιφανιεακά όμως στρώματα του ήλιου , την φωτόσφαιρα, όπου η θερμοκρασία έχει πέσει πλέον στους 5800 βαθμούς Κ . Απο εκεί και μετά τα εμπόδια της κίνησης των φωτονίων λόγω πυκνότητας από την βαρύτητα των υπερκείμενων στρωμάτων, αίρονται και έτσι αποκτούν ξανά μεγάλες ταχύτητες . Στις περιοχές όμως αυτές του χείλους του ήλιου ,όπου βρίσκεται η φωτόσφαιρα και έξω από αυτήν η αραιότερη χρωμόσφαιρα που συνεχίζεται με το πολύ αραιό στέμμα τα υδρογόνα βρίσκονται αρνητικά φορτισμένα (Η-). Η ατμόσφαιρα του αρνητικού υδρογόνου επιρρεάζει την κίνησή ττων φωτονίων (Χ τώρα λόγω μεγάλης ταχύτητας) και δημιουργούνται δίνες , είναι η λεγόμενη ζώνη των δινορευμάτωνΕκεί συναντά αρνητικά φορτισμένο υδρογόνο Η-.
Το περίεργο είναι πως στην αραιή αμόσφαιρο από υδρογόνο του στέμματος υπάρχει μια ανεξήγητα υψηλή θερμοκρασία, ενώ θα έπρεπε να είναι ακόμα χαμηλώτερη από την φωτόσφαιρα.(γύρω στα 2 εκατομμύρια . Ορισμένοι αστρονόμοι πιστεύουν ότι αυτή η θερμοκρασία στο στέμμα οφείλεται στην παραγωγή των ακουστικών και άλλων μηχανικών κυμάτων που μεταφέρουν ενέργεια στο στέμμα ,τα οποία παράγονται στην ζώνη δινορευμάτων λόγω της περιδίνησης των φωτονίων. Αυτά μεταφέρουν ενέργεια στο στέμμα που ανεβάζει την θερμοκρασία του στα 2εκατομύρια βαθμούς Κέλβιν. Αυτά εξελίσσονται σε κρουστικά κύματα και διαχέουν την ενέργειά τους με μορφή θερμότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις οι εξωτερικές περιοχές του στέμματος θερμές και αραιωμένες δεν συγκρατούνται πια από την βαρύτητα , αποκόπτονται από το στέμμα του ήλιου και έτσι δημιουργούν τον ηλιακό άνεμο που διαχέεται σε όλο το πλανητικό μας σύστημα.
1 (από επάνω) ΠΗΡΗΝΑΣ 2 ΖΩΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 3 ΖΩΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 4 ΦΩΤΟΣΦΑΙΡΑ 5 ΧΡΩΜΟΣΦΑΙΡΑ 6 ΚΩΡΟΝΑ/ΣΤΕΜΜΑ
13.Ας επανέλθουμε στα μηχανικά κύματα πίεσης
(σε κάποιες πυκνότητες αυτά γίνονται ακουστικά)
σαν μέσω διάδοσης ενέργειας στο βαρυτικό πεδίο
Ποια είναι τελικά η ταχύτητα αυτών των κυμάτων πίεσης της ύλης που μεταφέρουν ενέργεια στον χώρο και που σε κάποιες περιπτώσεις γίνονται αντιληπτά σαν ακουστικά κύματα;
Η ταχύτητά τους είναι και ο ρυθμός μεταβολής της πίεσης που συνδέεται άμεσα με την αύξηση της πυκνότητας της ύλης μέσα στην οποία διαδίδονται.
Πόσο όμως μπορεί να αυξηθεί η πυκνότητα της ύλης;
Εδώ υπάρχει ένα όριο που λέγεται όριο δυσκαμψίας της ύλης. Μετριέται με τον ρυθμό που μεγαλώνει η πίεση όταν αυξάνεται η πυκνότητα έτσι ώστε να αντιστέκεται σε περαιτέρω συμπιέσεις της.
14. Πόσο μπορεί να συμπεριφερθεί η ύλη σε ακραίες τιμές πίεσης
Εδώ θα προσεδαφιστούμε ξανά στην Γη, για να θυμηθούμε ότι για εμας η ύλη αποτερείται από τα γνωστά χημικά στοιχεία τα οποία θεωρούμε σταθερά ως προς την δομή τους. Βέβαια πρέπει να θυμόμαστε ότι τα χημικά στοιχεία διατηρούνται μόνο όταν επενεργούν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις.
Μεταστοιχειώνονται με την επίδραση πυρηνικών δυνάμεων.
ενώ υπό την επίδραση βαρυτικών δυνάμεων η ύλη εκφυλίζεται
Αυτό όμως δεν είναι το χειρότερο.
Στο Σύμπαν όπου οι συνθήκες που επικραατούν είναι εξτρεμιστικές για μας, οι αλλαγές στην ύλη μπορεί να είναι τέτοιες που να ξεφεύγουν από την λογική του πυρήνα με τα ηλεκτρόνιά του, τα τροχιακά και τους κβαντικούς αριθμούς τους. Αυτό που μπορεί να συντρίψει αυτήν την γνωστή για μας ύλη είναι οι ακραίες πιέσεις που προέρχονται από την επίδραση του βαρυτικού πεδίου
Οι τελευταίες όμως παραδοχές της Επιστήμης λένε ότι
Τα χημικά στοιχεία διατηρούνται μόνο όταν επενεργούν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις
Στην ζωή και την εξέλιξη των άστρων συναντάμε άλλες μορφές ύλης όπως για παράδειγμα εμφανίζονται στους λευκούς νάνους τους αστέρες νετρονίων και τις μαύρες οπές
Λευκοί νάνοι
Σε ένα σχετικά μικρό αστέρι, λιγότερο από 1,4 φορές την μάζα του δικού μας ήλιου, όπου η βαρυτική πίεση δεν είναι αρκετή, ώστε να συνεχιστούν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του οι οποίες θα το σταθεροποιούσαν , και γι αυτό διαστέλεται , μετατρέπεται σε ερυθρό γίγαντα και στην συνέχεια χάνει το αραιότερα εξωτερικά στρώματα που μετατρέπονται σε πλανητικά νεφελώματα. Αυτό που απομένει είναι το εσωτερικό τμήμα του που όμως τα άτομα άνθρακα και οξυγόνου από τα οποία αποτελείται έχουν χάσει τα δεσμευμένα ηλεκτρόνιά τους και αποτελούνται από γυμνούς πυρήνες.
Τα ηλεκτρόνια όμως αυτά που είπαμε , είναι ελεύθερα και δεν υπακούουν πια στια αρχές του Πάουλι , υπακούουν όμως στις αρχές της κβαντομηχανικής και εφ όσον είναι συμπιεσμένα και οι αποστάσεις τους Δχ πολύ μικρές, συνεπάγεται ότι θα έχουν μια πολύ μεγάλη ορμή Δρ. Δηλαδή τα εκφυλισμένα αυτά ηλεκτρόνια που δεν συνδέονται πια με τους πυρήνες τους , αποκτούν πολύ μεγάλες τυχαίες ταχύτητες , με αποτέλεσμα να αναπτύσονται τεράστιες πιέσεις, διαφορετικές από τις γνωστές θερμικές που είναι οι πιέσεις εκφυλισμού των ηλεκτρονίων
Αυτές είναι που τελικά ισορροπούν το νεκρό πια αστέρι στην μορφή του λευκού νάνου
Αστέρες νετρονίων
Αντίθετα με τους προηγούμενους αστέρες που καταλήγουν λευκοί νάνοι και συναντάμε πιέσεις από εκφυλισμένα ηλεκτρόνια,
εδώ έχουμε μεγαλύτερο μέγεθος στο άστρο, άρα και ισχυρότερη βαρύτητα ,που ασκεί μεγάλη πίεση στο εσωτερικό του . Τελικά , έρχεται κάποια στιγμή που όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εξαναγκάζονται να ενωθούν με τα πρωτόνια στους πυρήνες των ατόμων και να σχηματίσουν νετρόνια . Τα νετρόνια αυτά πακετάρονται και τελικά έχουμε ένα υπέρπυκνο σώμα, που μοιάζει με ένα τεράστιο μεγαλομόριο ατομικού βάρους 1057 , με τεράστια ένταση στο βαρυτικό του πεδίο (η ταχύτητα διαφυγής από την επιφάνειά του είναι σχεδόν το μισό της ταχύτητας του φωτός ), όπου οι δυνάμεις που συγκρατούν τα νετρόνια μεταξύ τους δεν προέρχονται από τις ανταλλαγές μεσονίων αλλά είναι δυνάμεις του βαρυτικού πεδίου.
Υπάρχει ένα κατώτερο και ένα ανώτερο όριο μάζας, για να καταλήξει ένα αστέρι να γίνει αστέρας νετρονίων και αυτό οφείλεται στα όρια που υπάρχουν στην πυκνότητα. H μάζα είναι 1,4 φορές την μάζα του δικού μας ήλιου είναι το κατώτερο όριο ενώ το ανώτερο είναι 3 πλάσια μάζα από αυτή του ήλιου.
Η πυκνότητα της ύλης δεν μπορεί να γίνει τόσο μεγάλη, ώστε η ταχύτητα του ήχου (που είναι και ο ρυθμός μεταβολής της πίεσης) να γίνουν μεγαλύτερα από την ταχύτητα του φωτός.
Και το όριο αυτό το θέτει η ειδική θεωρία της σχετικότητας.
Για να υπερνικιθούν οι δυνάμεις της βαρύτητας απαιτούνται απωστικές δυνάμεις και για αυτό απαιτείται ενέργεια, που συνήθως είναι θερμοπυρηνική από το εσωτερικό του άστρου. Και η ενέργεια (όπως ακριβώς η μάζα) συνεισφέρει θετικά στην έλξη λόγω βαρύτητας. Η ταχύτητα διαφυγής λόγω της μεγάλης βαρυτικής έλξης είναι πολύ μεγάλη και πολές φορές φτάνει στα μισά και πάραπάνω της ταχύτητας του φωτός και γι αυτό είναι και δύσκολα ανιχνεύσιμοι και η μελέτη τους κυρίως θεωρητική
Αντίθετα, η εκπομπή φωτονίων από έναν περιστρεφόμενο μαγνητισμένο αστέρα νετρονίων δημιουργεί περίεργα φωτεινά φαινόμενα και παλμικά σήματα που οφείλονται στην περιστροφή του άστρου, στο ισχυρό μαγνητικό πεδίο του και στο ισχυρό ηλεκτρικό που δημιουργείται. Είναι τα Παλσάρ.
Οι ακραίες καταστάσεις που ζουν οι αστέρες νετρονίων όπως οι μεγάλες πυκνότητες και οι υψηλές ενέργειες έχουν αποτέλεσμα την δημιουργία πλάσματος όπως και ζευγών ηλεκτρονίων - αντιηλεκτρονίων που δημιουργούνται και εξαυλώνονται, παράγοντας αντινοβολία γ η οποία έχει ήδη ανιχνεθεί. Προσπάθεια γίνεται να ανιχνευτούν και φωτόνια.
Παλσάρ θεωρείται το άστρο που βρίσκεται στο κέντρο του Νεφελώματος του Καρκίνου.
Οι μαύρες οπές και το τέλος της ύλης
Όταν η μάζα των αστέρων ξεπερνά την τριπλάσια μάζα του δικού μας ήλιου τα νετρόνια συνθλίβονται σε κατάσταση άπειρης πυκνότητας
Η θεωρητική περιγραφή των μαύρων οπών,θα απαιτούσε οπωσδήποτε να χρησιμοποιηθεί, κάποια κβαντική θεωρία της βαρύτητας που δεν υπάρχει ακόμα
Δήμητρα Σπανού
ΠΗΓΕΣ
Quantika Παράδοξα Jim Al Kalili
O Κβαντικός εναγκαλισμός Αmir Achiz
ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ FRANK SHU
ΦΥΣΙΚΗ PSSC Ιδρυμα Ευγενίδου1995
https://el.wikipedia.org/wiki/Μονάδες_Πλανκ
Η προέλευση των χημικών σοιχείων και το πρόβλημα της δημιουργίας του άνθρακα στα άστρα Posted on
https://el.wikipedia.org/wiki/Εντροπία
https://www.aua.gr/~bethanis/thermo_KB_3.pdf
https://el.wikipedia.org/wiki/Ενθαλπία
https://www.aua.gr/~bethanis/intermolecular_forces.pdf
https://el.wikipedia.org/wiki/Λευκός_νάνος
ακατέργαστο υλικό
Αν θεωρήσουμε ότι τα κύματα αυτά προσεγγίζουν σε ατμόσφαιρες πολυατομικών μορίων αερίων (όπως η γήινη με οξυγόνο και άζωτο αλλά και άλλες με μεθάνιο υδρόθειο κ.α.) ή σε αντίστοιχες περιοχές του μεσοδιαστήματος , ίσως και κάποια στεραιά αντικείμενα τότε θα πρέπει
να αποδίδουν ένα μέρος από την ενέργειά τους εκεί, που χρησιμοποιείται για να ανεβάσει την εσωτερική ενέργεια των σωμάτων αυτών
Γιατί ενώ για μια συγκεκριμένη θερμοκρασία Τ η εσωτερική ενέργεια ανα μόριο είναι 3/2 ΚΤ για τα τέλεια αέρια για διατομικά αέρια όπως το οξυγόνο και το άζωτο που απαρτίζουν την γήινη ατμόσφαιρα είναι αντίστοιχα 5/2 ΚΤ
Ένα αέριο με περισσότερους βαθμούς ελευθερίας με περιστροφή και ταλάντωση των ατόμων του μπορεί να έχει την ίδια κινητική ενέργεια του κέντρου μάζας του με ένα μονοατομικό και να ασκεί την ίδια πίεση, όμως θα έχει υψηλώτερη εσωτερική ενέργεια λόγω περιστροφής των μορίων του. Πόσο μάλλον αν πρόκειται για στερεό που χρειάζεται επιπλέον και ενέργεια σύνδεσης
Αυθόρμητα λοιπόν καταλήγουμε ότι η ενέργεια που μεταφέρει αυτό το κύμα πίεσης απορροφάται ανάλογα από πυκνότερη ύλη.
Για την ιστορία η μέση ολική ενέργεια των ατόμων είναι 3/2kT για τα μονοατομικά , 5/2kT για τα διατομικά και 3kT για τα στερεά σώματα
Ένα παράδειγμα τέτοιων κυμάτων που μεταδίδονται στον αέρα είναι τα ηχητικά κύματα . Η ταχύτητα τους είναι 340m/s κατά πολύ μικρότερη από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα
μεταφορά από άρθρο "κι όμως το σύμπαν έχει τον δικό του ήχο"
gr.askmen.com/deutere-matia/1098918/article/aute-einai-e-mousike-tou-sumpantos
Τα ερευνητικά διαστημόπλοια Voyager, INJUN1, ISEE1 και Hawkeye, ηχογράφησαν τις δονήσεις των σωματιδίων και η NASA φρόντισε να τις αναμεταδώσει σε εύρος από 20 μέχρι 20.000 hertz. Στις συχνότητες, δηλαδή, που μπορεί να συλλάβει το ανθρώπινο αυτί. Και το αποτέλεσμα ήταν κάτι παραπάνω από εκπληκτικό.
Οι ήχοι θα μπορούσαν να ταυτιστούν με εκείνους του βυθού της θάλασσας. Ίσως και με αυτούς που ακούμε πριν από μια καταιγίδα, ή όταν ο αέρας «ταξιδεύει» στις πλαγιές των βουνών. Η μελωδία των πλανητών είναι υπέροχη και θα μπορούσε να αποτελεί ένα μικρό μουσικό intro από τον ήχο του Παραδείσου.
Μήπως η έκφραση BIG BANK υπονοεί κάτι σαν αυτό
ακατέργαστο
ισχυρή πυρηνική δύναμη έχει ακτίνα δράσης μέχρι 10-15 μέτρα
https://physics4u.wordpress.com/2010/02/04/h-έ-ώ-ί/
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, τα σωματίδια, όπως οι πυρήνες, διαθέτουν κυματοειδείς ιδιότητες. Τα κύματα, ως γνωστόν, παρουσιάζουν συντονισμούς. Ένα κοινό παράδειγμα συντονισμού είναι η λειτουργία του ραδιοφώνου, καθώς γυρίζουμε το κουμπί της συσκευής μας για να πιάσουμε το σήμα ενός συγκεκριμένου σταθμού. Μόλις ταιριάξει η συχνότητα των κυκλωμάτων του δέκτη μας με τη συχνότητα των ραδιοκυμάτων που εκπέμπει ο σταθμός, τα κύματα συντονίζονται με το κύκλωμα, και το σήμα ενισχύεται σε πολύ μεγάλο βαθμό. Τα κβαντικά κύματα μπορούν επίσης να συντονιστούν, επιταχύνοντας έτσι το ρυθμό των ατομικών και πυρηνικών διαδικασιών.
. H μάζα ενός τυπικού πυρήνα άνθρακα είναι σημαντικά μικρότερη από το άθροισμα της μάζας των τριών πυρήνων ηλίου που καλούνται να τον σχηματίσουν, λόγω της ενέργειας που εκλύεται κατά τη δημιουργία του. Οι πυρήνες, όμως, μπορεί να βρίσκονται και σε διεγερμένη κατάσταση. Ο Χόυλ υπολόγισε με ακρίβεια την ενέργεια συντονισμού, μία διεγερμένη κατάσταση του πυρήνα C-12, ότι ήταν περίπου 7,6 MeV πάνω από την βασική κατάσταση του.
Τα πειράματα τους επιβεβαίωσαν ότι ο συντονισμός επιμηκύνει το χρόνο ζωής του ασταθούς πυρήνα βηρυλλίου κατά περίπου 100 δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου – αρκετά, δηλαδή, για να γίνει η αντίδραση. Άπαξ και φτιαχτεί ο άνθρακας, όλα τα άλλα είναι εύκολα. Όλα τα εμπόδια εξαφανίζονται. Αμέσως μετά δημιουργείται το οξυγόνο, στη συνέχεια το νέον και το μαγνήσιο, και συνεχίζουμε με αυτό τον τρόπο να ανεβαίνουμε τον περιοδικό πίνακα, φτάνοντας μέχρι το σίδηρο.
Αναζητώντας τα ίχνη της κβαντικής βαρύτητας
Κάποιες βασικές γνώσεις θερμοδυναμικής βοηθούν να καταλάβουμε καλύτερα
Η αύξηση ή η ελλάτωση της εσωτερικής ενέργειας ενός σώματος που οφείλεται στις άτακτες κινήσεις των στοιχειωδών σωματιδίων του, έχει σαν μακροσκοπικό αποτέλεσμα την μεταβολή της Πίεσης του αερίου ή της θερμοκρασίας ή την παραγωγή του έργου ανάλογα με το είδος της μεταβολής αυτής (ισόχωρες, ισόθερμες, ισοβαρείς, αδιαβατικές).
H θερμότητα που απορροφήθηκε προκάλεσε αύξηση της εσωτερικής ενέργειας και παραγωγή έργου.
.
Αδιαβατική μεταβολή Δεν παρατηρείται διάδοση θερμότητας προς ή από το σύστημα: Q = 0 U2 – U1 = ΔU = – W Ισόχωρη μεταβολή Πραγματοποιείται υπό σταθερό όγκο, dV = 0, επομένως W = 0 και U2 – U1 = ΔU = Q Ισoβαρής μεταβολή Πραγματοποιείται υπό σταθερή πίεση, p = σταθ. ΔU, Q, W ≠ 0. Εύκολος υπολογισμός έργου: W = p (V2 – V1 ) Ισόθερμη μεταβολή Πραγματοποιείται υπό σταθερή θερμοκρασία, Τ = σταθ. ΔU, Q, W ≠ 0. Ιδανικά αέρια: η εσωτερική ενέργεια εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία, όχι από την πίεση ή τον όγκο του. Επομένως ΔU = 0 και Q = W