Для чего нужен огонь

Как добывали огонь?

Чтобы выжить, людям нужны были не только пища и вода, необходимо было тепло, а кроме Солнца его давал огонь. Древний человек из рода Homo научился пользоваться огнём по меньшей мере 700 тысяч лет назад. Это произошло не сразу. Вначале люди использовали огонь, который оставался после лесных пожаров, удара молнии. Они тщательно оберегали горящие поленья и ветки, старались не дать им потухнуть. Костры стойбищ тщательно поддерживались, и тлеющие угли переносили за собой на каждое новое место.

Зачем нужен был огонь?

Огонь помогал согреться. Зажжёнными ветками отбивались от хищников и загоняли крупных животных. На огне закаляли кончики деревянных орудий. В пламени костров обжигали мягкую глину, и она становилась прочной и твёрдой. Многие растения ядовиты в сыром виде, но безвредны и питательны после тепловой обработки. На огне стали готовить пищу. В конце концов люди заметили, что для того, чтобы зародилась искорка огня, приходилось или стучать твёрдыми камнями друг о друга, или добывать его трением сухих деревянных палочек. Огонь использовали и для освещения. Для этого в каменную плоскую чашу, заполненную жиром животных, опускали «фитиль» из мха или кусочков меха. Использовались и лучины, окунутые в пчелиный воск или смолу.

Огонь использовали не только для обогрева, но и для приготовления пищи. Многие ядовитые растения оказались безвредными после термической обработки.

Стихийные лесные пожары

До того как люди научились добывать огонь, они пользовались стихийными пожарами, вроде этого пожара в Африке, вспыхивавшими, возможно, от молнии или солнечного жара. Первобытные люди научились применять огонь для приготовления пищи. Многие овощные растения ядовиты в сыром виде, но безвредны после термической обработки. Огонь также использовался для охоты. Устраивалась полоса огня, после чего охотники ловили спасающихся бегством животных.

Разведение огня

Около 4 тысяч лет до н.э. была изобретена лучковая дрель для получения огня. Тетива лука используется для беспрерывного вращения деревянного сверла. Остриё его упирается в деревянное основание. Трение сверла о деревянную дощечку вызывает нагревание, от которого должен загореться мох, маленькие щепочки или солома, заготовленные у основания сверла. Такими дрелями пользуются и сейчас.

Каменная лампа

Доисторические художники пользовались простыми каменными лампами вроде этой, когда украшали стены пещер 17 тыс. лет назад. Подожженный фитиль в виде мха, лишайника или меха клался в каменную чашу, наполненную животным жиром.

Каменный очаг

Очаг — это то место, где готовили пищу, центральное в жилище человека каменного века. Вокруг очага размещались каменные сиденья, кровати, столы. В крыше над очагом была сделана дыра, чтобы через неё выходил дым. Чтобы сквозняк не затушил огонь, очаг обкладывали большими камнями.

Источник

Свойства и значение огня

Разделы: Физика

Актуальность темы. Без огня невозможна жизнь на Земле. Мы видим огонь каждый день – плита, костер, печка и т.д. Он всюду – в домах и школах, на заводах и фабриках, в двигателях космических кораблей. Вечный Огонь горит на площади Славы, в храмах всегда горят свечи …

Все лето по телевизору показывали лесные пожары. Сгорело безвозвратно большое количество деревьев, которые давали нам воздух. Могли бы стать интересными книгами и нашими школьными тетрадями. Погибли животные. Сгорели целые деревни, люди остались без жилищ.

Интересный и загадочный этот огонь!

Для детей о пожарах и мерах безопасности написано достаточно много книг, в том числе литературных произведений (“Дядя степа” С. Михалкова, “Путаница” К. Чуковского, “Кошкин дом” С. Маршака и т.д.). Но такие источники, в которых описываются подробно и свойства огня, и его польза встречаются редко. Наша работа – это попытка восполнить такой пробел.

Цель работы: Исследование значения огня для человека.

Задачи. В этой работе мы изучаем свойства огня и отвечаем на вопрос: Что такое огонь? Также разбираемся, как эти свойства используют люди. Каким образом и почему огонь может помочь и навредить людям? (Приложение 1).

Мы использовали справочную литературу: словарь, энциклопедию, некоторые книги для взрослых, и информацию из сети Интернет.

1. Что такое огонь? Основные свойства огня

В детской энциклопедии есть такое определение огня и горения: “это химическая реакция, в которой одно из веществ настолько нагревается, что соединяется с кислородом воздуха”. [1, С.105] В толковом словаре русского языка читаем: “Огонь – горящие светящиеся газы высокой температуры” [3, С. 379]. После прочтения этой информации, автор данной работы так и не понял, что же такое огонь и решил дать такое ему определение, которое было бы понятно ученикам начальной школы. Для этого нужно выявить основные его свойства.

Основные свойства огня изучаем при помощи методов эксперимента (опытов) и наблюдения. Проделаем несколько опытов.

Примечание. Все опыты проводились в присутствии и с помощью взрослых, при этом были соблюдены правила безопасности: использовали негорящую поверхность (стеклянную доску) и приготовили кувшин с водой.

Опыт № 1. В темное время суток выключили в комнате свет. Стало темно, ничего не видно. Зажгли свечу, стали видны очертания предметов и людей.

Вывод: 1 свойство: Огонь излучает свет! (См.: Приложение, слайд 4)

Даже небольшое пламя свечи может освещать комнату. Вот почему в запасе у мамы всегда есть свечи – на случай отключения электричества.

Опыт № 2. Очень осторожно попробуем поднести руку к пламени свечи. На расстоянии 20 см становится очень тепло, ниже – из-за жжения опустить руку нельзя.

Вывод: 2 свойство: Огонь выделяет много тепла! (См.: Приложение, слайд 5).

Опыт № 3. Накроем горящую свечу стеклянной банкой. Через несколько секунд пламя гаснет. То же происходит и с газовой конфоркой. Для достоверности мы повторили опыт 3 раза. Результат всегда один – пламя прекращает гореть.

Вывод: 3 свойство: для того, чтобы огонь горел, нужен воздух, а точнее кислород, который он содержит. (См.: Приложение, слайд 6).

Итак, мы выяснили главные свойства огня и уже можем ответить на вопрос: что такое огонь?

Огонь – это такой процесс, при котором поглощается кислород и выделяется свет и тепло.

Продолжим изучение свойств огня.

1) Наблюдаем за пламенем свечи. Форма спокойного пламени, заостренная кверху похожа на конус. Если потихоньку подуть на пламя свечи, то форма меняется, оно отклоняется от потока воздуха. То же происходит, если поднести свечу к приоткрытому окну.

Вывод: форму пламени можно изменить при помощи потока воздуха. Это свойство используют при разжигании костра. (См.: Приложение, слайды 9,10,11).

2) Рассмотрим цвет пламени. Цвет не везде одинаков, пламя имеет слои: самый нижний слой голубоватого оттенка, затем светло-желтый слой, после него – самый верхний красновато-оранжевый. (См.: Приложение, слайд 13).

Но это еще не все о цвете.

Выводы: 1. Разные вещества и материалы горят с разным цветом пламени. Так вот как получается такой красивый фейерверк! 2. Значит можно определить, неизвестное вещество по цвету пламени, надо только поджечь (как один из способов).

Значит, температура в разных слоях пламени различная. Это подтверждается и опытом с поднесением к пламени руки. Мы помним, что сверху можно поднести руку только на 20 см. Если поднести палец к нижней части пламени, тепло чувствуется только на расстоянии 1 см.

Вывод: пламя имеет несколько слоев, отличающихся не только по цвету, но и температурой. В нижней части пламя самое холодное, а верхней – самое горячее. (См.: Приложение, слайд 20).

2. Значение огня: польза и вред

И это еще не весь список “добрых” дел огня.

Вывод: Огонь очень нужен людям. Он согревает, кормит и освещает. Современный человек использует огонь постоянно. Невозможно представить себе жизнь без огня.

Но огонь очень опасен! Его всегда нужно контролировать. Он способен и очень навредить. Речь идет о пожарах. Пожар – это когда огонь горит без желания человека и все разрушает.

Большой ущерб нашему государству и населению приносят пожары. Пожар – явление очень страшное, жестокое, враждебное всему живому. (См.: Приложение, слайд 26).

Пожар вреден тем, что: от пожаров гибнут люди и получают сильные ожоги, люди лишаются дома, от пожаров исчезают леса и гибнут все их обитатели: животные, птицы, пожар может уничтожить все, что человек создавал своим трудом.

Немного статистики. Только представьте, что ежегодно в мире происходит около 5 миллионов пожаров! Каждый час в огне погибает один человек, два получают травмы и ожоги. Каждый третий погибший – ребенок.

Как они возникают? Из-за неосторожного обращения с огнем, недобросовестного отношения к мерам безопасности.

О пожарах, о бедах, которые приносит огонь написано много книг. В том числе детских. Почему же для детей написано много книг о пожарах? Мы думаем, что потому что пожары очень часто возникают по вине детей.

Хотим напомнить всем ребятам:

— Никогда не играйте с огнем!

— Разжигать огонь можно только в присутствии взрослых и под их присмотром.

— В местах разведения костров, другого использования огня должны быть под рукой средства тушения.

— Нельзя оставлять огонь без присмотра.

— Когда огонь уже не нужен, он должен быть хорошо потушен.

Таким образом, в результате проведенной работы мы дали понятное для детей определение огня: “Огонь – это такой процесс, при котором поглощается кислород и выделяется свет и тепло”.

А также выяснили: Пламя имеет определенную форму, несколько слоев, отличающихся не только по цвету, но и температурой. При этом форму пламени можно изменить при помощи потока воздуха. Знание этих свойств помогает людям использовать огонь более эффективно.

Разные вещества и материалы горят с разным цветом пламени. Значит можно определить, какое-то вещество по цвету пламени, надо только поджечь (как один из способов).

Вообще, огонь очень нужен людям, он согревает, кормит, освещает. Современный человек использует огонь постоянно. Невозможно представить себе жизнь без огня.

Но огонь очень опасен! Его всегда нужно контролировать, нельзя оставлять без присмотра. Он способен и очень навредить. Пожар – явление очень страшное, жестокое, враждебное всему живому.

Конечно, мы исследовали не всё о таком удивительном явлении как огонь. Поэтому в дальнейшем возможно исследовать такие вопросы: как люди научились разжигать огонь, каковы были первые способы? Какие вещества не горят и почему? Как делают фокусы с огнем? Также интересна тема “Огонь и оружие”.

Результаты данной работы можно использовать как вспомогательный материал на занятиях о мире вокруг нас (окружающему миру) в детском саду и начальной школе. Для детей интересующихся огнём такой материал будет полезен, потому что он наглядный и достаточно простой.

Источник

Роль огня в жизни первобытного человека

Полтора миллиона лет назад человек смог подчинить себе огонь. Древний человек смог создать себя освещение, теплый дом, вкусную еду и защиту от хищников.

После длительного использования естественного огня, у человека появилась необходимость самостоятельной добычи этого ресурса, ведь природный огонь был доступен не всегда.

Трение являлось еще одним способом добычи огня. Люди быстро вращали между ладонями сухие ветви и палки, вставленные в древесное отверстие. Таким способом добычи пламени пользовались у народов Австралии, Океании, Индонезии, в племенах кукукуку и мбовамбов.

Таким образом огонь сыграл главенствующую роль в развитии человечества. Помимо того, что он стал источником света, тепла и защитой, также он отразился и на интеллектуальном развитии древних людей.

Роль огня в жизни современного человека

Источник

Что такое Огонь?

Доброго дня, дорогие наши читатели, сегодня очень хочется поделиться с Вами знаниями об огне. Да да, именно о том самом, который обжигает сильно, который способен стать сильным разрушающим фактором, но при этом без него никак, ведь он может и созидать.

В общих чертах, поговорим об огне с точки зрения науки, но простыми словами. Однажды, учась в школе я интересовался у физика. мол что такое есть огонь вообще, как его изучают, почему одни предметы горят, другие нет. В общем тогда я внятного, точнее понятного, ответа так и не получил. Прошло уже 20 лет. Особо я этим вопросом и не задавался.

На днях у меня сын, которому пять лет, спрашивал меня про водовороты. Ему очень стало интересно, мы смотрели видео и картинки. Как мог объяснил, но дело в том, что мне вспомнился случай из школы и я полез в интернет. Информации оказалось очень много, но многая из них не популярная, а научная. В общем такое ребенку точно не объяснить просто так. Но я попробовал переработать полученную информацию в более понятный язык.

Не знаю, как получится, но помимо физических эффектов стоит рассмотреть еще и более обширные понятия этого вещества или явления, как огонь. Еще, если нужно ребенку объяснить что такое огонь, то нужно сразу рассказать как он опасен, где его применяют и как он помогает человеку жить и развиваться.

Давайте так, если что-то я скажу не так, не правильно, то пишите в комментариях в самом низу. Так же жду Ваших отзывов там же. Пишите, обсудим)))

Что есть Огонь?

Вот тут даже не знаю как точно все рассказать. Начнем с того, что его изучают ученые, и это факт. Но вот объяснения можно найти абсолютно разные.

Самое первое, что я узнал еще из школы, что огонь — это физический процесс, а именно ускоренное окисление. В общем то это ничего не говорит мне, кроме того, что это не вещество, а именно химический процесс.

По другой версии, абсолютно научной, огонь — свечение раскалённых частиц в потоке горячего воздуха… Тут я уже начинаю понимать, что это не просто процесс, а еще и вещество.

Еще есть вариант, что этот процесс и есть состояние вещества — газ. Он отличается от остальных газов тем, что заканчивается. Например пропан (в закрытом сосуде) никуда не денется, он есть и есть. А вот огонь нет, закрой его и когда кислород закончится, тогда его и нет сразу. Да и просто, если топливо (например древесина) заканчивается, огонь так же заканчивается. Но тогда постойте, получается что это газ, вступающий в реакцию с кислородом, а значит это есть вещество, быстро проходящее окисление…. Тогда нас просто отсылают к первому варианту.

Собрав все в кучу и посмотрев некоторые научно-популярные фильмы я пришел к более понятному понимаю, которое признают все учение. Сложность еще заключается в том, что огонь находится на стыке нескольких научных направлений (химия, термодинамика, физика…).

Огонь — это низкотемпературная плазма. А значит это состояние вещества. Но когда мы говорим, мол дерево горит, то немного ошибаемся. Дело в том, что при сильном нагреве дерево выделяет газ, который при высокой температуре вступает в реакцию с кислородом и тем самым получается выделение еще большего тепла и света. Значит газ переходит в форму плазмы. Как-то так в общих чертах.

Что мы знаем об огне?

В пользу теории о том, что огонь это низкотемпературная плазма, говорит еще и древнее мировоззрение, где мир состоит из 4 веществ (стихий): земля, вода, воздух и огонь. Это точка зрения не отличается от современного, ведь вещества имеют 4 стадии: жидкое состояние, твёрдое состояние, газообразное и плазма. Даже интересно стало, от куда в древности об этом знали? Может догадывались, но не могли точно описать?

Мы не можем потрогать огонь, как другую материю, но можем видеть. Правда не всегда, некоторые газы горят практические без цветно, но тогда тепло мы ощущаем. Значит можем увидеть и почувствовать. Кроме того мы можем им управлять, правда не всегда.

В современном мире очень легко его разжечь и точно так же потушить. Казалось бы все просто, но это очень опасная стихия. Как только мы теряем контроль, то своими силами потушить его очень сложно. Тогда процесс окисления превращается в очень страшную стихию, уничтожающую все вокруг. Горит все, кроме железа и камней, и они порой оплавляются очень сильно. Если говорить о пожаре в здании, то все строение может быть полностью уничтоженным, даже каменное.

Самое страшное, на мой взгляд, это лесные пожары, которые мало того, что уничтожают огромные площади леса, дак страдают и животные и люди. Лесная флора может восстанавливаться очень медленно. Самый наглядный пример — катастрофа в Австралии в 2020 году. Тогда погибло очень много животных и насекомых. Не скажу точно, но некоторые виды животных были в красной книге и их вид погиб полностью. Представляете кокая это трагедия? Вымерли несколько видов животных!

Так же пострадали и люди, выгорели целые поселения. Такие пожары случаются и у нас в России. Выгорают целые деревни. Но самое печально, что причиной таких возгораний чаще всего являются сами люди. Мы просто неуважительно к нему относимся, а он не прощает ошибок. Так, из-за непотушенного костра, брошенного окурка, разбитой бутылки и тому подобное, страдает растительность, животный мир и сами люди.

Бывают пожары и природные, когда сильная засуха провоцирует самовозгорание некоторых предметов или гроза в сухую погоду. А если есть еще и ветер, то все удачно складывается для пожара. Некоторые считают, что во влажном климате не бывает пожаров — на самом деле бывают и влага им не помеха. Там такие температуры, что влага никак не тушит огонь и вот тогда очень тяжело его тушить.

Но от этой плазмы есть и польза, причем очень существенная. Огонь обогревает наши квартиры и дома. На огне мы любим жарить шашлыки, рыбу и готовить другие блюда. Некоторые продукты мы не можем кушать без термической обработки Машины с двигателем внутреннего сгорания (а их большая часть даже в 21 веке) двигаются при помощи огня.

Интересные факты об огне

Совсем недавно, посмотрел передачу про развитие человечества и был сильно удивлен одному факту. Да, это факт, который признается большинством ученых. Дело в том, что огонь позволил нашему предку поумнеть! А знаете как? По сути просто.

Дело в том, что у наших предков был мозг меньше, чем у нас сегодня. Не сказать что они тупые, но особо то их ничего не интересовало, как выжить и дать потомство. Еще до того, как древние племена приручили огонь, они находили трупы животных после сильных пожаров. Кушали их и скорее всего понимали, что так вкуснее и проще. А вот когда уже могли сами поддерживать костры, то пищу научились обрабатывать уже сами.

Дело в том, что когда человек кушает сырую пищу, то желудочно кишечному тракту необходимо много энергии, чтобы переработать ее. Но когда мясо обработали на костре,то кишечник ее усваивать быстрее и с меньшим потреблением энергии. Ученые считают, что это и дало толчок к развитию мозга, которое и приводит к развитию человечества в целом.

Кроме того, только благодаря приручению этой стихии человечество начало развивать промышленность и остальные отросли.

А еще, я задавался вопросом, мол есть ли огонь в космосе? И как там это происходит? Дело в том, что для огня нужна не только высокая температура и кислород (реакция окисления), но еще и гравитация. Когда есть возгорание, то горячие массы вещества поднимаются вверх, а снизу поступает снова холодный воздух с новой порцией кислорода. Сильно конечно утрировал, но механизм таков. Без гравитации такое невозможно. А в космосе еще и кислорода нет…. или есть, но пространство сильно разряжено… В общем интересно стало)))

Оказалось что не только мне интересно, но и многим ученым. На орбите было проведено много интересных экспериментов. В частности выяснилось, что обязательно нужен окислитель, в нашем случае это кислород, а вот при отсутствии гравитации огонь выглядит непривычно. Он принимает форму сферы. И когда кислород заканчивается, сфера пропадает, но вот процесс горения еще остается…. Это и ученые пока объяснить не могут.

Но выяснили, что в космосе все предметы имеют разные температуры возгорания, причем они ниже, чем на земле. При этом же перекинуться с одного предмета на другой не может, как раз из-за разных температур возгорания. Был проведен даже эксперимент, в отработанном аппарате, который должен был упасть на землю, подожгли тряпку. Она сгорела полностью, но вот больше ничего не подожгла.

Правда это не означает, что пожар не опасен там. Дело в том, что для людей самое опасное при пожаре в невесомости — истощение кислорода, появление ядовитых веществ в воздухе (в следствии горения) и отказ оборудования по причине перегорания.

Кроме того, если на земле этот процесс окисления происходит быстро, то в невесомости он замедлен, как я понял из-за того, что сам окислитель не сильно быстро подходит к возгоранию. Так же, в вакууме горения нет, если только не созданы другие благоприятные условия для окисления. Но это уже совсем другая и очень сложная тема, ведь тогад могут гореть и металлы, к примеру.

Выводы

Мы смогли выяснить, что Огонь — это низкотемпературная плазма. а значит это материя. Причем в это состояние переходит именно газ, который выделяется из горючего материала при сильном нагревании… если изначально это вещество не было самим газом)))

Так же это процесс окисления, который происходит быстро и с выделением побочных продуктов, как углекислый газ и других компонентов. А вот в невесомости созданы немного другие условия там процесс немного замедлен и имеет другую, необычную форму.

Возгорание как разрушает, так и помогает развиваться. По сути, без огня мы бы и остались первобытными людьми. А так же благодаря ему мы имеем все блага цивилизации, которые используем сегодня и сейчас.

Огонь очень удивителен и необычен с точки зрения науки. Им и правда можно любоваться бесконечно…

Вот и все, что сегодня хотелось Вам рассказать, но это лишь немного, что известно человечеству. Пишите комментарии ниже, поправляйте и задавайте вопросы. Будем разбираться вместе.

Читайте нас так же на нашем канале в Дзен и Одноклассниках. Пока пока и до новых выпусков.

Источник

Что такое огонь, и почему он жжёт

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:

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

где E_s — энергия состояния s, а β = 1 / k_BT, или термодинамическая бета (Т – температура, k_B — постоянная Больцмана). Это распределение Больцмана. Одно из объяснений этого дано в блогпосте Теренса Тао. Это значит, что вероятность равна

где Z(β) – нормализующая константа

называющаяся статистической суммой. Отметим, что вероятности не меняются, если E_s 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

k > = (1/Z) * ∑_s E k _s * e — β E_s = ( (-1) k / Z ) * ∂ k / ∂ β k * Z

и, вплоть до решения задачи моментов, это описывает распределение Больцмана. В частности, средняя энергия будет равна

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):

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

Отступление: неправильный классический ответ

Предположение что n, или, эквивалентно, энергия E_n = 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:

Z кл _ω (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

-βℏω ) = ℏω / ( e βℏω — 1 )

А средняя энергия, подсчитанная через классическую нормализующую константу, будет

кл _ω = — d/dβ * log(1/βℏω) = 1/ β = k_BT

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 = ℝ 3 / L ℤ 3 ). 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

и поэтому, учитывая, что λ обычно отрицательная, и значит, √λ обычно мнимый, соответствующая частота будет равна

Такая частота встречается dim V_λ раз, где V_λ — 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

Соответствующей частотой будет

и соответствующей энергией (одного фотона этой частоты)

Здесь мы аппроксимируем вероятностное распределение по возможным частотам ω_k, 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 * ℤ 3 существует число n_k ∈ ℤ_≥0, описывающее количество фотонов с таким волновым числом. Общее количество фотонов n = ∑ n_k конечно. Каждый фотон добавляет к энергии ℏ ω_k = ℏ c |k|, из чего следует, что

по всем волновым числам k, следовательно, его логарифм записывается, как сумма

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.

Остаётся вычислить объём региона фазового пространства для всех волновых векторов k с частотами ω_k = c |k| в диапазоне от ω до ω + dω. Это сферическая оболочка толщиной dω/c и радиусом ω/c, поэтому её объём

Поэтому плотность состояний для фотона

g(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 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 ω 2 / π 2 c 3 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 / π 2 c 3 ∫[0; ∞] ω 2 log 1 / ( 1 — e — βℏω ) dω

Производная по β даёт среднюю энергию фотонного газа

= — ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫[0; ∞] ℏω 3 / ( e βℏω — 1 ) dω

Но для нас важно подынтегральное выражение, дающее «плотность энергий»

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / ( e βℏω — 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 / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k_B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Это вариант закона Рэлея — Джинса, классического предсказания по излучению АЧТ. Он примерно выполняется на низких частотах, но на высоких расходится с реальностью.

E(ω) dω ≈ V ℏ / π 2 c 3 * ω 3 / e βℏω 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 ω 3 / (e βℏω — 1) = 0

или, что то же самое (беря логарифмическую производную)

3/ω = βℏe βℏω / (e βℏω — 1)

Пусть ζ = βℏω, тогда перепишем уравнение

С такой формой уравнения легко показать существование уникального положительного решения ζ = 2,821…, поэтому, учитывая, что ζ = βℏω и максимальная частота

Это закон смещения Вина для частот. Перепишем с использованием длин волн l = 2πc/ ω_max

2πc/ ω_max = 2πcℏ / ζ k_B T = b/T

что примерно равно 4,965. Это даёт нам максимальную длину волны

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

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

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 10 7 К, что сравнимо с температурой внутри Солнца. Подставим эти данные и получим

Источник