Почему выравниваются температуры горячего и холодного тел.

В соответствии с двумя распределениями энергий – теплового движения и тепловых квантовых возбуждений атомов – которые определяют максвелловскую и планковскую температуры тела, существует два механизма взаимодействия атомов горячего и холодного тел, благодаря которым температуры этих тел выравниваются: это механические столкновения и радиационный обмен тепловыми квантами. На наш взгляд, в процессе выравнивания температур горячего и холодного тел, ведущую роль играет радиационный обмен тепловыми квантами. Действительно, радиационный механизм должен доминировать над столкновительным – даже если учитывать только контактные взаимодействия частиц (атомов, молекул) горячего и холодного тел – хотя бы потому, что средняя энергия теплового квантового возбуждения значительно больше средней энергии теплового движения. Если же учесть, что взаимодействовать радиационно способны не только контактирующие друг с другом частицы, но и находящиеся на расстоянии друг от друга, то доминирование радиационного механизма должно быть подавляющим – тем более, что быстрота радиационных взаимодействий на несколько порядков больше, чем столкновительных.

Пусть температуры наших тел таковы, что наиболее вероятная энергия теплового квантового возбуждения, т.е. 5 kT, много меньше энергий первых возбуждённых квантовых уровней в атомах, из которых состоят тела – под это условие подходят температуры до 1-2 тысяч градусов Кельвина. Пусть, по ходу выравнивания температур горячего и холодного тел, эти тела не испытывают ни структурных, ни агрегатных превращений. Наконец, будем анализировать ситуацию в примыкающих к поверхности контакта пограничных слоях – достаточно тонких для того, чтобы процессами теплопроводности в них можно было пренебречь (тело всегда можно разбить на такие тонкие слои, каждую контактирующую пару которых можно рассматривать как горячее и холодное тело). В исходных состояниях, максвелловская и планковская температуры равны друг другу как у горячего тела, так и у холодного. После приведения тел в тепловой контакт, эти равенства нарушатся. Благодаря радиационному обмену тепловыми квантами, за ничтожные доли секунды изменятся планковские температуры обоих тел – у холодного тела она повысится, а у горячего понизится. Поскольку быстрота радиационных взаимодействий на несколько порядков больше, чем столкновительных, то, для простоты изложения, будем считать, что, при названных изменениях планковских температур, максвелловские температуры обоих тел останутся прежними. Таким образом, в каждом из тел планковская температура окажется не равна максвелловской, причём, планковские температуры тел будут сдвинуты друг к другу ближе, чем максвелловские.

Заметим, что образовавшиеся разности планковской и максвелловской температур в горячем и холодном телах могут быть неодинаковы. Действительно, в каждом элементарном радиационном взаимодействии (квантовом перебросе энергии [5]), происходящем между горячим и холодным телом участвуют по одному атому от того и другого тела – и, если концентрации атомов в них заметно различаются, то процент атомов, участвующих в радиационном взаимодействии, больше в теле с меньшей их концентрацией. Значит, при том, что, в результате радиационного обмена тепловыми квантами, энергия тепловых квантовых возбуждений в холодном теле увеличится на столько же, насколько в горячем теле она уменьшится – в том теле, где концентрация атомов меньше, образуется более сильная «деформация» планковского распределения и, соответственно, больший сдвиг планковской температуры.

Итак, после приведения горячего и холодного тел в тепловой контакт, оба они окажутся в термодинамически неравновесных состояниях, при которых планковская и максвелловская температуры не равны друг другу, и в каждом из этих тел начнётся внутренняя термо-релаксация. При этом, в обоих телах планковские температуры будут «подтягивать» к себе максвелловские, но, поскольку быстрота радиационных взаимодействий выше, чем столкновительных, то планковские температуры наших тел должны будут оставаться сдвинуты друг к другу ближе, чем сближающиеся максвелловские – поэтому планковские температуры тоже будут сближаться друг с другом. В результате, все четыре температуры – две температуры горячего тела и две холодного – будут сближаться, пока не достигнут одинакового значения, которое и станет равновесным.

Заметим, что соотношение между результирующими тепловыми эффектами (1) в обоих телах зависит не только от отношения параметров a у того и другого тел, но и от того, что, при их тепловом контакте, скорости изменения их температур могут быть не равны друг другу – и тогда, в итоге, приращения температур того и другого тоже окажутся неравными. Неодинаковость скоростей изменения температур горячего и холодного тел при их тепловом контакте может быть обусловлена, как мы постараемся показать ниже, неодинаковостью скоростей свободной внутренней термо-релаксации в этих телах.