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.,

4.1.2. Физическое содержание основных параметров термодинамики

Основные параметры термодинамики, сформулированные один-два века назад, остаются неизменными. Попытаемся критически рассмотреть их.

• Ø Внутренняя энергия системы U - «энергия хаотического теплового движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т.п.) и энергия взаимодействия этих частиц» [91]. Внутренняя энергия, как и любая другая энергия, имеет размерность работы и выражается в джоулях. Используемое понятие хаотического движения - свидетельство не возможности описания закономерного взаимодействия огромного массива молекул или иных частиц методами современной физики. Выделение именно хаотического движения вносит неопределённость: следует ли учитывать во внутренней энергии не хаотическое движение электронов в атомах, их переходы, движение нуклонов, их взаимодействие, биение сердца и потоки крови в организме? Вероятно, понятие «внутренняя энергия системы» следует рассматривать как суммарное значение кинетической энергии движения всех материальных тел, её составляющих.
• Ø Теплота, количество теплоты Q - «часть внутренней энергии, которая самопроизвольно без внешнего воздействия переходит от тел, более нагретых, к телам, менее нагретым, посредством теплопроводности или лучеиспускания» [91]. Ранее для измерения теплоты использовалась единица измерения - калория, равная количеству теплоты, необходимой для увеличения температуры 1 грамма воды на 1 ^оС. В настоящее время теплота измеряется в джоулях, которая эквивалентна работе в 1 джоуль.

Итак, теплота эквивалентна работе и является энергией внутреннего движения материальных частиц в теле. Понятие теплоты осталось в физике со времени теории теплорода и является атавизмом. Теоретически теплота определяется как мера кинетической энергии атомов или молекул физического тела, которая определяется суммой по всем частицам массой m_i, движущимся со скоростью v_i относительно скорости среды v_o:

Q = Σ_i [(m_i (v_i -v_o)² /2]

Кинетическая энергия движения частиц при контакте с телом, где движение частиц более медленное, то есть обладающего меньшей энергией, будет передаваться к этому телу. Из определения теплоты и тождественности единиц измерения следует эквивалентность понятий: энергия = теплота. В естествознании следует исключить понятие теплоты и говорить о передаче энергии между телами.

• Ø Температура - Т в термодинамике не имеет чёткого определения и введена как степень градации теплоты. «Термодинамическая температура введена как основная системная единица измерения, которая отсчитывается по термодинамической шкале температур от абсолютного нуля. Единица измерения - кельвин (К) равна 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (равновесная температура между льдом, жидкой водой и паром при давлении, равном 1 нормальной атмосфере, равна +0,01^оС и 273,16 К). На практике широко применяется практическая температурная шкала, в которой диапазон от точки таяния льда до кипения воды разбит на 100 равномерных частей - градусов. Температура может непрерывно изменяться от принципиально недостижимой точки 0^о К (-273,15 ^оС) до бесконечно больших значений» [91]. Понятие температуры было введено для измерения чего-то по принципу «тепло-холодно». «Передаваемая» от одного тела к другому, температура остаётся степенью градации тепла и поэтому по физическому смыслу соответствует передаче энергии, которая должна измеряться в джоулях. Принятая в физике градуировка шкалы температуры - энергии в кельвинах, градусах Цельсия или Реомюра есть аналог измерения массы не в килограммах, а в фунтах, унциях или атомных единицах массы. Измерение на практике температуры воздуха, воды, тела в градусах имеет право на существование, но в физике понятие температуры, как синоним энергии является лишним.

Температура - это не физическое явление, а это способ измерения внутренней энергии в локальном месте материального тела. «Температура = энергии».

Принятие факта тождественности не только улучшит понимание процессов, но и упростит формулы, в которых фигурирует отношение Дж/К: постоянные Больцмана, Стефана-Больцмана, универсальная газовая и др. Для температуры постулировано, что она изменяется непрерывно при передаче тепла от одного тела к другому. Однако, являясь мерой передачи энергии, она должна быть квантованной в диапазоне малых её изменений.

Замена в физике понятия температура локальным значением энергии позволит внести ясность во взаимосвязь движения материи и движения в среде ДУХ. Температура является характеристикой скорости движения молекул, что позволило в термодинамике представить её как коэффициент перехода тепловой энергии материальных тел в энтропию, которая рассматривается как некая информационная характеристика состояния системы в градации: «хаос-упорядоченное движение». Термодинамическая температура определяется как связь теплоты и энтропии: T = dQ/dS (T -абсолютная температура, dQ - прирост теплоты, dS - прирост энтропии).

• Ø Энтропия системы - S в термодинамике введена как «функция состояния системы, определяемая соотношением: dS =dQ/T (dQ - бесконечно малое количество теплоты, сообщаемое системе при температуре T). Размерность энтропии - джоуль на кельвин» [91]. Физический смысл важнейшего понятия термодинамики скрыт как некая функция, измеряемая отношением с именами двух великих учёных. Если в этом соотношении вместо размерности температуры - кельвин, выразить её в единицах энергии - джоулях, то последует важный вывод:

энтропия должна быть безразмерной величиной.

Действительно, как было показано (см. 3.1), понятие хаос введено как характеристика среды ДУХ, не имеющей никаких размеров. Температура, измеряемая в джоулях и безразмерная энтропия - таково должно быть их естественнонаучное понимание, что значительно упростит многие термодинамические формулы. Энтропия - не только термодинамическое понятие. Оно используется в синергетике, информатике, теории управления, других научных направлениях. Важность этого понятия для системы ДУХ требует отдельного рассмотрения.

• Ø Теплоемкость тела (системы) - С - «величина, равная отношению количества теплоты dQ, необходимой для нагревания тела (системы тел) к разности температур тела dT: C= dQ/dT. Единица измерения - джоуль на кельвин» [91]. Из формулы и единицы измерения следует, что теплоёмкость - физический аналог энтропии. Их отличие в динамике. Энтропия характеризует систему при постоянной температуре, а теплоёмкость измеряется при поглощении тепла и изменении температуры. Однако анализ изменения состояния системы на малом интервале изменения температуры позволяет принять:

теплоёмкость ≈ энтропии.

• Ø Тепловой поток, температуропроводность, коэффициент теплопроводности, и несколько удельных единиц, используемых в термодинамике, вряд ли применимы в естествознании. Их недостаток - представление о передаче тепла и температуры как материальных потоков. Флогистон не существует, и эти единицы должны быть интерпретированы как передача энергии.
• Ø Давление - «величина, равная отношению силы, действующей на элемент поверхности, нормальной к ней. Единица измерения - паскаль, равный давлению, вызываемому силой 1 ньютон, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью 1 м²» [91]. В таком определении за именами Паскаля и Ньютона спрятан смысл, который легко определить из размерности единицы: [L^-1MT^-2]:

давление = энергии в единице объёма.

• Ø Работа - «величина, равная скалярному произведению силы на элементарное перемещение. Единица измерения - джоуль, равный работе силы 1 ньютон, перемещающей тело на расстояние 1 метр направления действия силы» [91]. Размерность физической единицы свидетельствует, что введение понятия работы вряд ли целесообразно: работа = энергии.
• Ø Сила - «векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел. Сила определяется по второму закону Ньютона как произведение массы тела на его ускорение: F=ma. Единица измерения - ньютон, размерность [F = LMT^-2]» [91]. Заменив ускорение скоростью, делённой на время и перейдя к энергии, получим F = ma = mv/t = mv²/vt ~ E/L, где m - масса, v - скорость, t - время, Е - энергия, L - пройденный путь. Это означает: сила = энергия, затраченная на единице пути.

Выполненный анализ показывает, что термодинамика решила и продолжает решать основные технические задачи использования тепла, но, оставшись на основе постулатов, названий физических явлений и величин XIX века, она не способна объяснять физическое содержание многих процессов. Понимание того, что теплота, температура и энергия - это результат взаимодействия материальных частиц и среды ДУХ заставляют отказаться от понятия изолированных (замкнутых) систем. Работа, теплота и температура - это определённые выражения энергии, которые должны измеряться одной физической единицей (конечно, не фамилией учёного!). Понятия давления, силы, теплоёмкости, коэффициент теплопроводности и другие также желательно пересмотреть с внесением физического смысла энергии, их упрощением и сокращением количества.

 Понимание сущности энергии в естествознании затруднено вследствие многоообразия её видов и неадекватности названий. Что такое «энергия покоя» для элементарных частиц и любого материального тела, если энергия - это движение массы? Электрон существует только при непрерывном волновом движении, а в покоящемся материальном теле при любой температуре происходит движение электронов, атомов и молекул. Что такое потенциальная энергия? Способность тела совершить работу - не есть работа и её не следует называть энергией. Способность упасть или переместиться в электрическом поле может осуществиться, а может, и нет. Энергия, выделившаяся при падении тела или его движении, зависит от изменения параметров в окружающей среде: расстояния, разности в напряжённости полей, сопротивления среды и других параметров, поэтому потенциальная энергия материального тела различна относительно других тел: Земли, Луны, Солнца. КПД процесса перехода потенциальной энергии в кинетическую или тепловую различен и поэтому необходимость использования термина потенциальная энергия вызывает сомнения.