Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию

Поляков В. И.,

4.1.1. Основы термодинамики

Признание лауреата Нобелевской премии по физике Р. Фейнмана в том, что наука физика не знает, что такое энергия знаменательно. Таков результат двухвекового развития естествознания. Основная причина такого положения - отсутствие научного системного подхода, когда задачей науки стало не познание, а техническое развитие производства средств потребления.

Термодинамика - наука о движении (передаче) энергии зародилась в начале XIX века при разработке и совершенствовании паровых двигателей. Её предшественницей в XVII веке была теория флогистона (теплород). Физики полагали, что теплота перетекает от одного тела к другому, подобно жидкости, переливаемой из сосуда в сосуд. Теплород представлялся как вещество, подобное жидкости, заполняющей пустоту в обычных материальных телах. Этот физико-химический агент был исключён из науки М.В. Ломоносовым (1711-1765). Развивая атомно-молекулярные представления о строении вещества, он сформулировал принципы сохранения материи и движения и доказал, что теплота обусловлена движением материальных частиц - корпускул. Теплота - это внутреннее движение. Это был важный шаг в науке.

Сейчас обще признано и доказано экспериментально, что, чем выше скорость движения молекул в газе или колебания атомов в кристаллической решётке твёрдого тела, тем выше их температура и выше способность отдавать тепло. Но что заставляет атомы в нагретом конце длинного металлического стержня передавать свою скорость движения в виде тепла, нагревающего холодный конец стержня? В науке при опровержении одной теории другой не следует забывать, что предшествующая тоже была приближением к пониманию Природы. Перетекание теплорода тоже являлось приближённой картиной процесса теплопередачи. Поэтому не удивительно, что в термодинамике также как в теории электродинамики, аналогом и основой теории стала гидродинамика - наука о движении жидкости, её перетекании.

Рождение науки термодинамики можно отнести к 1811 г, когда Ж. Фурье была присуждена премия Французской академии наук за открытие закона распространения теплоты. Для любого вещества в любом агрегатном состоянии поток теплоты пропорционален градиенту (перепаду) температуры. Причём коэффициент пропорциональности индивидуален для каждого вещества. Поток теплоты от одного тела к другому определяется разностью температур, так же как поток воды из одного сосуда в другой определяется разностью давлений в них. Так же как скорость потока воды зависит от площади пропускного отверстия и сопротивления фильтра, так же поток тепла зависит от площади контакта тел и структурных особенностей вещества, названых теплопроводностью и определяющих сопротивление потоку тепла. Такое подобие описания гидравлических и тепловых процессов - яркое свидетельство внутреннего единства явлений Природы. Однако наука о передаче тепловой энергии и электромагнитной энергии развивались независимо.

Термодинамика возникла в результате обобщения множества экспериментальных фактов, описывающих явления передачи и превращения тепла, в связи с производством механической работы и температурными изменениями взаимодействующих тел. Трудами Гельмгольца, Майера, Джоуля, Клаузиуса, У. Томсона, Карно, других учёных XIX века было показано, что тепло и работа - это две формы энергии, которые могут передаваться среде, или, наоборот, энергия среды может передаваться телу. Разность энергий системы в начальном и конечном состоянии должна равняться сумме теплоты и работы, полученных системой от окружающих тел. При этом и теплота и работа должны учитываться со своим знаком + или - для их получения или отдачи. Принцип сохранения энергии, признанный для механического движения, был расширен пониманием того, что превращение любой формы движения атомов, молекул, зарядов, тел в другую форму движения происходит при обязательном сохранении определённых количественных соотношений.

Первое начало термодинамики выражено формулой соотношения внутренней энергии системы U, производимой работы W, и подводимого тепла Q: U = Q + W. Его интерпретации:

• Ø процесс, единственным результатом которого было бы изъятие тепла из резервуара, невозможен;
• Ø процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу, невозможен;
• Ø термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или внешних источников;
• Ø в замкнутой системе энергия сохраняется и невозможно извлечь из системы больше энергии, чем в ней сохраняется; «вечный» двигатель невозможен.

Естественно к каждому из постулатов можно задать вопрос: «Почему?». Ответ: «Таковы наблюдения!». Опять следует вопрос: «А, может, эти наблюдения не охватывают все природные явления?». Постулаты на это не отвечают и сотни известных экспериментов, в которых коэффициент полезного действия превышал 100 %, не принимаются современной наукой. Догматическая ошибка науки состоит в понятии «замкнутой системы». Это физическое приближение было аксиоматически перенесено на все процессы передачи энергии во всех видах.

Второе начало термодинамики также рассматривает замкнутые системы и разъясняет некоторые особенности передачи тепла. Его формулировки:

• Ø невозможен процесс превращения тепла в работу при постоянной температуре;
• Ø тепло не может самопроизвольно, без затрат энергии перетечь от холодного тела к горячему;
• Ø энергия переходит из менее вероятной формы в более вероятную, и энтропия замкнутой системы постоянно возрастает.

Огромная важность выявленных принципов для развития техники снижается неопределённостью введённых понятий. Что перетекает: внутренняя энергия, тепло или температура? В термодинамике остаётся нераскрытым понятие энтропии, её связи с энергией и вероятностью. Введённое в термодинамику немецким физиком Р.Ю.Э. Клаузиусом (1822-1888), оно было впоследствии интерпретировано, как статистический процесс уменьшения порядка в системе, австрийским физиком Л. Больцманом (1844-1906).

На основе изучения термодинамических свойств газов Больцман сформулировал теорему, согласно которой идеальный газ, который первоначально находится в нестационарном состоянии, например при температуре выше окружающей среды, с течением времени самопроизвольно переходит в состояние статистического равновесия с окружающей средой.

Введение понятия энтропия и представление об её непрерывном возрастании при эволюции систем привели к гипотезе о «тепловой смерти» Вселенной в результате эволюции в сторону термодинамического равновесия, а, в дальнейшем, также к развитию концепции необратимых процессов и «стрелы времени». В настоящее время существуют десятки определений энтропии, что делает это понятие ещё более туманным, чем энергия, которых в физике изучается тоже множество видов (ядерная, гравитационная, тепловая, электрическая, магнитная, механическая, химическая, солнечная, космическая и т. д.). Подобное многообразие описания явлений - свидетельство не понимания их естественнонаучной сущности.

С позиций естествознания следует выделить тормозящий эффект концептуального закрепления в науке приведённых принципов термодинамики. Признав всё материальным, включая энергию, физики уверовали в закон сохранения энергии в замкнутых системах. Рассматривая в качестве таковых технические устройства и помещения, в которых они находятся, физики упустили из внимания системы более высокого уровня, например, связь электромагнетизма и гравитации. Даже биосфера планеты не рассматривалась в качестве системы более высокого уровня в энергетическом обмене технократического человечества. Огромный, в десятки раз превышающий допустимые уровни выброс энергии в биосферу современные науки «проморгали». Замкнувшись в системах типа движитель-комната, академии наук постановили не рассматривать изобретения движителей, в которых появление энергии свыше потреблённой оказывалось необъяснимым. При этом известны и запатентованы многие десятки примеров движителей, не потребляющих внешней энергии, но неограниченно продолжающих движение за счёт неуравновешенных сил инерции внутри тела или в электродинамических системах (инерциоид Толчина, торсионный генератор Акимова, торсионный движитель Полякова, инерционные движители Р. Кука (США), Д. Торнсона (Канада) и др. [107]).

Изолированных систем нет в Природе и нет во Вселенной. Нематериальная система ДУХ окружает и непрерывно взаимодействует с каждым электроном, атомом и молекулой. «Всё связано со всем». Непонимание этого привело к тому, что научные модели и приближённые описания процессов теплопередачи были фетишизированы, остановив развитие науки. Только развиваемое в настоящей работе представление о единой среде ДУХ, характеризующейся энтропией, и являющейся передатчиком всех видов энергии позволяет понять законы её преобразования.

В начале ХХ века было сформулировано третье начало термодинамики. Теорема В. Нерста (1906) гласит, что при уменьшении температуры к абсолютному нулю по шкале Кельвина энтропия соответствующей системы стремится к конечному пределу. Достижение абсолютного нуля температуры и нулевого значения энтропии не возможно.

Что означает тепло при нулевой температуре и нулевая энтропия? Что, вообще, означает тепло, энергия, энтропия? Чтобы приблизиться к пониманию этого рассмотрим несколько основных физических параметров термодинамики.