Năng lượng truyền trong môi trường

24/12/2012

 

KS Phan Trường Giang - PGĐ Sở KH&CN 

Năng lượng truyền trong môi trường là một trong những dạng truyền năng lượng cơ bản trong tự nhiên; ở đó năng lượng được truyền đi từng lượng tử một, nhưng lại mang đầy đủ các tính chất của sóng như tán xạ, nhiễu xạ, cộng hưởng.ánh sáng là một dạng truyền năng lượng trong môi trường tiêu biểu.

Trong tự nhiên năng lượng như Động năng, Nhiệt năng, Năng lượng điện từ, v.v... được truyền từ điểm này tới điểm khác cơ bản bằng hai phương tiện: một là năng lượng được vận chuyển trong các vật thể riêng lẻ từ điểm này tới điểm khác như sự chuyển động của viên bi, của viên đạn, v.v; hai là năng lượng vận chuyển qua môi trường vật chất như môi trường nước truyền năng lượng của sóng, năng lượng điện từ trong không gian, điện năng truyền trong dây dẫn, v.v... Đây là hai dạng truyền năng lượng cơ bản trong tự nhiên. Với năng lượng mang theo trong các vật thể riêng lẻ, vận tốc truyền năng lượng cũng là vận tốc chuyển động của vật thể. Còn năng lượng truyền trong môi trường thì sao? vận tốc truyền năng lượng có trùng với vận tốc chuyển động của hạt vật chất không ? Dưới đây tôi xin làm rõ vấn đề này.

Vận tốc năng lượng truyền trong môi trường luôn lớn hơn vận tốc chuyển động của hạt vật chất tạo nên môi trường:

Vận tốc truyền năng lượng là gì?

Giả sử có một viên bi chuyển động, Vận tốc V= S/T  là quãng đường mà viên bi đi được trong một đơn vị thời gian. Nếu tại điểm khởi đầu có một tác động làm viên bi chuyển động, khi đó nó mang trong mình một lượng động năng, đến điểm cuối viên bi va chạm với vật thể khác khi đó viên bi đã truyền một lượng động năng cho vật bị va chạm. Động năng đã được truyền từ điểm khởi đầu tới điểm va chạm, trong trường hợp đơn lẻ này. Vận tốc truyền năng lượng trùng với vận tốc chuyển động của viên bi.

Với việc truyền năng lượng qua sóng, âm thanh, ánh sáng, điện, v.vnăng lượng truyền đi không đồng nghĩa với chuyển động của một hạt vật chất từ điểm đầu tới điểm cuối, khi đó vận tốc truyền năng lượng là khoảng cách năng lượng đã truyền đi được trong một đơn vị thời gian mà không đồng nghĩa với vận tốc chuyển động riêng lẻ.

Giả thiết có một môi trường được lấp đầy bằng các viện bi, viên bi vô cùng cứng để vận tốc truyền năng lượng trong bản thân lớn vô cùng, như vậy thời gian năng lượng tác động truyền từ phía này tới phía đối diện của viên bi bằng không. Để đơn giản ta xem xét trường hợp các viên bi xếp thành đường thẳng từ điểm A tới điểm B, như hình dưới:

Ta ký hiệu ;

- Đường kính của viên bi là D;

- Khoảng cách giữa hai mép viên bi giáp nhau là d;

- Khoảng cách giữa hai điểm A và B là S;

- Tổng số viên bi trong khoảng A-B là n.

 Có một tương tác ở ngoài chuyển động với vận tốc v  va chạm vào viên bi đầu tiên ở điểm A, viên bi đầu tiên sẽ chuyển động với vận tốc v đi hết quãng đường d sau đó sẽ va chạm vào viên bi thứ 2, viên bi thứ 2 cũng tiếp tục chuyển động với vận tốc v đi hết quãng đường d lại tiếp tục va chạm với viên bi thứ 3, quá trình này sẽ kết thúc khi viên bi cuối cùng n tại điểm B nhận được tác động từ viên bi áp chót. Kết thúc quá trình trên động năng đã được truyền từ A đến B. ở đây quá trình ta xét chỉ tính tới động năng của vật, động năng được truyền đi trong trường hợp này bằng chính năng nượng được truyền đi. Như vậy:

Năng lượng đã truyền từ A tới B với khoảng cách S = n*D + (n-1)*d.

Thời gian cần thiết để Động năng truyền từ A tới B là: (n-1)*d/v.

(Theo giả thiết ban đầu thời gian động năng truyền từ điểm bên này tới điểm đối diện của viên bi bằng 0).

Gọi vận tốc truyền năng lượng là V ta có: 

                V = S/T = (n*D + (n-1)*d)*v/ (n-1)*d.      

Công thức trên được viết lại là:

                 V= (n*D/(n-1)*d + 1)*v.

Vì (n*D/(n-1)*d + 1) luôn lớn hơn 1 do vậy vận tốc truyền năng lượng trong môi trường luôn lớn hơn vận tốc truyền động đơn lẻ ban đầu.

Nếu vận tốc ban đầu bằng vận tốc ánh sáng thì vận tốc truyền năng lượng sẽ lớn hơn vận tốc ánh sáng.

Các tính chất đặc trưng khi năng lượng truyền trong môi trường:

Xét một môi trường truyền năng lượng ở đó các hạt vật chất lấp đầy, để đơn giản, xét môi trường gồm các viên bi trên một mặt phẳng như hình dưới:

- Như trên năng lượng truyền trong môi trường được mang theo bởi chuyển động cục bộ của các hạt vật chất cấu tạo nên môi trường đó, như vậy ở góc độ vi năng lượng được truyền đi từng lượng nhỏ một. Đó là tính hạt của việc truyền năng lượng trong môi trường.

- Giả sử có một tương tác theo hướng thẳng hàng với cấu tạo môi trường như hướng a ở hình trên, khi cấu tạo môi trường hạt không sếp sít nhau ( d lớn hơn 0) thì năng lượng mang theo trong tương tác đó tiếp tục truyền đi theo đường thẳng ( Nhưng hiện tường này hiếm ). ở trong môi trường có cấu tạo các hạt vật chất xít nhau (d gần bằng 0) khi hạt vật chất dầu tiên nhận tương tác nó sẽ di chuyển, việc di chuyển đó làm cho nó va chạm vào các hạt vật chất xung quanh, và tiếp tục như vậy các hạt tiếp theo sẽ di chuyển và cũng tiếp tục va chạm truyền chuyển động cho các hạt tiếp theo. Nhưng di chuyển thẳng hướng với tương tác ban đầu vẫn là di chuyển có nhiều năng lượng nhất (do tính chất của lực cơ học), các hướng khác năng lượng mang theo tương tác ít hơn, khi góc truyền năng lượng với phương tác động ban đầu càng lớn lực tương tác càng nhỏ, năng lượng truyền di theo hướng đó cũng càng nhỏ. Vậy là hướng truyền tương tác (truyền năng lượng) trong môi trường mạnh nhất là theo hướng đường thẳng, còn các hướng khác cũng có năng lượng truyền đi song cường độ nhỏ dần theo độ lớn của góc tạo thành từ phương tác động và hướng truyền. Có thể hiểu đây là đặc tính tán xạ trong truyền năng lượng trong môi trường.

- Giả sử tại một thời điểm hạt vật chất đầu tiên nhận được 3 tương tác có các hướng khác nhau, hướng a. hướng b, hướng c trong hình trên, thì sự chuyển động của hạt đầu tiên không theo một hướng cụ thể nào mà là sự tổng hoà của 3 hướng trên, tức là tương tác không giữ những đặc tính như một tương tác độc lập, nó đã bị nhiễu. Đây có thể hiểu là đặc tính Nhiễu xạ trong truyền năng lượng trong môi trường.

Như vậy một đặc điểm cơ bản khi truyền năng lượng trong môi trường đó là vừa mang tính chất sóng, vừa mang tính chất hạt, ở góc độ nhỏ Lượng tử tính chất hạt thể hiện rõ, ở góc độ tổng thể tính chất Sóng thể hiện rất rõ.

Truyền năng lượng dạng này có rất nhiều trong tự nhiên. Vậy phải chăng ánh sáng là việc truyền năng lượng trong môi trường được lấp đầy các hạt Pho ton.

Qua tìm hiểu về vận tốc truyền năng lượng ta thấy vận tốc truyền năng lượng có thể cao hơn vận tốc ánh sáng. Với một môi trường đã được lấp đầy những hạt vật chất có thể thông qua những hạt vật chất đó để truyền năng lượng từ điểm đầu tới điểm cuối trong thời gian rất ngắn, nhanh hơn vận tốc truyền ánh sáng, điều này sẽ mở ra những phương thức truyền năng lượng mới nhanh hơn nếu có một môi trường hạt vật chất thích hợp./.

P.T.G

Các tin đã đưa ngày: