ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРОМОДИНАМИКИ

Часть вторая. ТЕРМОДИНАМИКА

7. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРОМОДИНАМИКИ. ЭНЕРГИЯ

В главе 1 мы уже обсуждали концепцию, что знания об объектах и явлениях реального Мира являются приближёнными. Математика, например, описывает только количественные отношения в Мире. Геометрия изучает формы материальной реальности. Термодинамику интересуют энергетические потоки, но материальные и информационные потоки оказываются при этом не учтёнными. Такие упрощения позволяют разуму человека увидеть определённые закономерности в объектах исследования, но не дают полной картины Мира. Надо отдать должное творцам термодинамики, которые свои выводы назвали «началами», подразумевая, что будет продолжение. Однако эти «начала» позже переименовали в законы термодинамики, превратив их в догму.

Мозаичная картина Мира складывается из множества разных точек зрения, объединение которых позволяет приблизиться к реальной картине. Такой подход к исследованию называется «холизмом».

В главе 1 среди типичных ошибок учёных отмечается «чрезмерное расширение зоны действия простых моделей». Закономерности, полученные в некоторых локальных условиях, следует с большой осторожностью распространять за их пределы. Получение закономерностей в какой-то области не означает, что эти законы справедливы и в других частях Вселенной. Однако это правило часто нарушается, что можно увидеть на примере законов термодинамики и законов сохранения.

Учёными разных исторических эпох были выявлены законы сохранения. Первыми двумя законами сохранения, установленными в науке, были законы сохранения массы и энергии. В последствии появился закон сохранения импульса (количества движения). Известны и некоторые другие законы сохранения. Закон сохранения массы является краеугольным камнем всей химии и для химика означает сохранения полного числа атомов каждого типа в химической реакции. В продуктах реакции должно содержаться столько же атомов каждого типа, сколько их имеется в реагентах.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) является одним из важнейших общих положений в науке. Важную лепту в становление этого закона внесли Джоуль и Майер. В 1847 г. Гельмгольц проанализировал экспериментальные данные Джоуля и Майера и завершил работу, в которой было дано общее изложение закона сохранения энергии. В середине 19 века немецкий физик Рудольф Клаузиус установил принцип эквивалентности теплоты и работы, сформулировал первый закон термодинамики (1850 г.) в таком виде, как он обычно излагается в наше время.

Кратко первое начало термодинамики формулируют так: «Энергия сохраняется», или: «Количество тепла (Q), полученное системой, идёт на приращение её внутренней энергии и на производство внешней работы». В любом процессе энергия может переходить из одной формы в другую (в том числе в теплоту и работу), она не создаётся из ничего и не исчезает бесследно [3].

Закон сохранения и превращения применим ко всем известным видам энергии и соблюдается в химии, физике и биологии. Следует уточнить, что закон сохранения в термодинамике был выведен не для всех форм энергии, а только на тепловых и механических. Внутренняя энергия атомных ядер, нуклонов, и других «тонких» материальных структур классической термодинамикой не изучалась (в прошлые времена о такой энергии никто не знал).

Древнегреческие философы не придавали никакого значения точным измерениям массы в химических реакциях. Об этом не думали и средневековые европейские алхимики. Первым, кто осознал, что масса является фундаментальным свойством, сохраняющимся в процессе химических реакций, был великий французский химик Антуан Лавуазье (1743-1794). Суммарная масса всех продуктов химического превращения точно совпадала с суммарной массой исходных веществ с той точностью, на которую были способны весы. Установив этот закон в химии, Лавуазье опроверг прочно укоренившуюся флогистонную теорию горения. Он показал, что при сгорании вещество соединяется с кислородом, а не разлагается с выделением гипотетического флогистона [49]. Однако, отвергнув флогистон, он не объяснил, откуда берётся осязаемая теплота реакции и что такое энергия.

Законы сохранения используются не только в термодинамике, но и в механике. Например, известен закон эквивалентного перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно, закон сохранения импульса, переход работы в теплоту и обратно. Понятие работа объединяет механику с термодинамикой.

Работа (А) в механике определяется как произведение силы на путь перемещения А = F∆S. Путь перемещения (∆S) – это пространственная характеристика. Но неопределённое понятие «сила» (F) есть нечто, способное изменить состояние покоя и равномерного прямолинейного движения. Наши предки размышляли о силах творения, исходящих от богов и злых духов. Механика Ньютона также ничего не говорит о причинах сил, вызывающих ускорение. Общая теория относительности силы гравитации туманно объясняет кривизной пространства. Но важно то, что причина силы усматривается в самых тонких понятиях, в свойствах пространства.

В квантовой механике силы взаимодействия связываются с особыми колебаниями суперструн (опять «тонкий» мир). Очевидно, природа различных сил скрыта в недрах материального субстрата, также как природа массы, заряда, энергии, спина и пр. Наука 19 - 20 вв. не достигла уровня понимания «тонких» процессов, сопровождающих макроскопические явления.

Если природа силы невыяснена, то остаётся «туманной» и природа работы (А), и, следовательно, природа энергии. У энергии нет единого определения. Термин «энергия» используется как в механике, так и в термодинамике. Он введён в науку Юнгом (1849 г.). Энергия является символом целого класса явлений, так же как и флогистон (теплород), успешно объяснявший тепловые эффекты, но не раскрывший их сущности. Позже оказалось, что понятием «флогистон» маскировали хаотическое движение молекул вещества.

Итак, энергия –это умозрительное, абстрактное понятие, настолько вошедшее в наш обыденный лексикон, что мы приписываем ему реальное существование. Понятие энергия связывает воедино многие идеи, позволяет просто и экономно описывать разнообразные явления [1]. Ниже мы покажем, что «энергия» – это обобщённая характеристика явлений, связанных с движением вещества и материи.

Термодинамика, или общая теория теплоты, является аксиоматической наукой, построенной на нескольких аксиомах, или началах, основанных на опытном материале. Этот раздел физики описывает процессы передачи теплоты, т.к. теплота является одним из видов энергии. Если два нагретых тела соприкасаются, то они могут обмениваться теплом без совершения макроскопической работы. Этот процесс называется теплообменом.

В теоретических рассуждениях в качестве типичной термодинамической системы довольно часто рассматривают идеальный газ в каком – либо сосуде [49]. Типичным примером является цилиндр с поршнем. Газ при нагревании расширяется, давит на поршень, а последний может перемещаться, совершая работу. Этот процесс является основой всех тепловых машин.

Если механика изучает и описывает энергию движущихся тел (mv²/2), то термодинамика опускается «этажом» глубже и исследует внутреннюю энергию вещества. Понятие «внутренняя энергия» обобщает различные формы внутреннего движения вещества, многие из которых до сих пор не открыты. Термодинамика ограничилась изучением внутренней энергии в форме поступательного и вращательного движения молекул и атомов. Термодинамика установила, что только часть внутренней энергии тела может превратиться в механическую работу. Всегда остаётся теплота, которую невозможно превратить в работу. Эта часть внутренней энергии получила название связанной энергии.

В термодинамике используется феноменологическое понятие «температура» (мера «нагретости» тела), которая определяется кинетической энергией движущихся частиц вещества. Для идеального газа внутренняя энергия (Е) совпадает со средней молекулярной кинетической энергией Е = 3/2RT. Для неидеального газа внутренняя энергия (Е) только приблизительно пропорциональна температуре. Изменение внутренней энергии сопровождается изменением температуры или (и) объёма тела (PV=RT).

Предполагается, что при полной остановке молекулярных (атомарных) движений достигается минимальная температура Т=О⁰К (абсолютный нуль). Абсолютный нуль мыслится только для кристаллов.

Остановка движения атомов не означает, что энергия исчезла. Внутреннее движение атомов содержит очень много энергии. Движутся электроны и нуклоны. Каждая из этих частиц возникла из движущегося материального субстрата. Их масса содержит внутреннюю энергию (движение).

Двадцатый век принёс новые открытия. Работами Лоренца и Эйнштейна было показано, что масса и энергия есть разные меры одной и той же физической сущности. Количественно это выражалось формулой Е=mc². Здесь Е – энергетический эквивалент массы, с – скорость света. Эта формула показывает, что масса в 1 кг эквивалентна энергии в 9·10¹⁶Дж. Такой энергии достаточно, чтобы лампочка в 100 вт. светила в течение 30 миллионов лет, или для испарения 40 миллиардов литров воды [49].

Частичная потеря массы в какой-либо системе должна приводить к высвобождению огромного количества энергии. В справедливости этого можно убедиться при ядерном взрыве, когда высвобождение огромной энергии в виде энергии света, тепла, звука происходит в результате расходования небольшой массы твёрдого тела. В основе источника энергии Солнца и звёзд также лежит преобразование вещества в излучение, происходящее в недрах небесных тел.

Энергия содержится и в гравитационном поле, окружающем частицы вещества. Аналогичное можно сказать и об энергии заряда. Итак, за границами классической термодинамики осталось внутреннее движение молекулярных связей, движение электронов, нуклонов в ядре, различные «полевые» взаимодействия (электромагнитные, гравитационные).

Таким образом, можно сделать вывод, что все виды энергии в своей первооснове имеют движение известных и неизвестных материальных структур. Самой наглядной является кинетическая энергия движущегося тела или совокупности тел (потоки воды, ветра, снега, грязи и пр.). Невидимая тепловая энергия заключается в совокупной кинетической энергии движущихся микрочастиц (атомы, молекулы). Внутренняя энергия вещества скрыта в разнообразных движениях частей молекул. Энергия акустических волн заключена в колебательных движениях частиц среды. Вероятно, масса и заряд – это также неизвестные, «тонкие» формы движения материального субстрата Мира. Данная идея воплощена в теории суперструн, где масса и заряд объясняются различными модами колебаний «частиц-суперструн» [3]. Масса и заряд изменяют характер движения окружающего их мирового субстрата, что проявляется как энергия поля. Закон сохранения энергии эквивалентен неуничтожимости движения в сети мирового субстрата.

Для завершения рассуждений следует рассмотреть понятие «потенциальная энергия». Если сжимается пружина или тело поднимается над Землей, то говорят, что работа превращается в потенциальную энергию. Эта скрытая энергия может превратиться в очевидную работу. Потенциальная энергия сжатой пружины, вероятно, заключена в колебаниях атомных структур. При сжатии и деформации возрастает частота колебания химических связей (как у напряжённой струны), что эквивалентно росту энергии.

Но энергию поля тяжести пока понять невозможно, т.к. окончательная теория гравитационного поля ещё не создана. Согласно ОТО – это упругая энергия искривленного пространства (статика). Квантовая механика объясняет гравитацию как энергию обмена гравитонами (динамика). Поскольку все виды энергии являются проявлениями тех или иных форм движения, то статическое объяснение гравитации в ОТО не правдоподобно.

Химики говорят об энергии химических связей, называя её химической энергией. Она может переходить в тепловую энергию, измеряться в килокалориях. Но какая скрытая форма движения «спрятана» за понятием химическая энергия, до сих пор не ясно. Можно предположить, что в этом движении участвуют электроны (валентные колебания) или колебания частей молекулы (крутильные, деформационные колебания).

Таким образом, под покровом абстрактного понятия «энергия» скрывается движение материи. В связи с изложенным становится понятной связь между законом сохранения массы (скрытой формы движения) и законом сохранения энергии (явная форма движения). Один вид движения переходит в другой вид.

Задачей науки является раскрытие неизвестных форм движения (масса, заряд, поле, гравитация). Для этого необходимо создать правдоподобную модель мирового субстрата. Попытка в этом направлении предпринята нами в разделе 5.2.

Энергию характеризуют не только количеством, но и качеством. «Высококачественная» энергия самопроизвольно переходит в другие формы энергии (формы движения) с меньшими потерями. Например, качество энергии можно ранжировать в следующем порядке. Свет лазера, свет лампы накаливания, химическая энергия молекулярных связей, тепло. Свет в тепло может перейти самопроизвольно, обратный переход требует использования специальных устройств и осуществляется с рассеянием энергии. С точки зрения тождественности энергии и движения можно предположить, что высококачественные формы энергии реализуются простыми формами движения, имеют меньше подвижных составляющих и концентрируются в локальных участках материального субстрата. Например, свет – это элементарные колебания сетевого субстрата, локализованные в объеме фотона. Спин является также очень локальной формой движения (в объёме частицы). Тепло является сложным движением множества молекулярных агрегатов в макроскопическом объеме. Химическая энергия молекулярных связей состоит из совокупного движения электронов, виртуальных фотонов, частей молекул (богатый спектр форм движения).

Локальные формы движения легко диффундируют в обширные. Локальный удар пули в броню рассеивается в виде тепла, нагревается обширный участок металла. Но собрать в точку рассеянное движение бывает трудно. Чтобы сфокусировать свет требуются линзы. Чтобы преобразовать тепло в работу, в направленное механическое движение требуется сложная тепловая машина.

Закон сохранения импульса (mv=const) также основывается на сохранении количества движения. Масса (m) – скрытая, локальная форма движения, а скорость (V)- это характеристика нелокального движения - перемещения. Импульс (p=mv) является произведением двух видов энергии, двух различных форм движения.

Однако можно показать, что закон сохранения импульса соблюдается в первом приближении, если скорость движения тел не слишком велика, например, при столкновении биллиардных шаров.

Но если мы рассмотрим столкновение артиллерийского снаряда с броней танка, то увидим следующую картину. При ударе о броню под некоторым углом снаряд отражается в сторону, при этом часть энергии переходит в тепло, снаряд накаляется до красна, нагревается и танк. Танк принял удар снаряда (p=mv), другую часть импульса уносит отраженный снаряд, но часть энергии истрачено на нагрев металла. С точки зрения механики, не рассматривающей тепловые процессы, импульс снаряда до удара не равен сумме импульсов полученных танком и отражённым снарядом. Механический закон сохранения импульса не соблюдается.

Ситуацию можно было бы исправить с помощью термодинамики, посчитав импульсы всех атомов нагретого металла, но точно сделать это затруднительно, так как часть энергии нагрела воздух , а часть унесена светом, поэтому будем считать закон сохранения импульса также приблизительным.

В основе всех законов сохранения лежит сохранение количества движения во Вселенной. Если Вселенная изолированная система, то движению (энергии) некуда «утекать», поэтому количество движения неизменно. Изменяется только разновидность движения. Одно движение переходит в другое. Но если Вселенная не изолированная система, то говорить о законах сохранения в её границах не имеет смысла.

В первой части настоящей работы излагалась идея, что время есть субъективное (правополушарное) ощущение движения вещества и процессов. Понятие «энергия» (придуманное левым полушарием) также характеризует движение. Следовательно, время и энергия – это различные ментальные образы, отражающие различные виды движения. Удивительно, но наш соотечественник Козырев в своих «странных» опытах также отождествлял время с потоками энергии [34, 35].

Механику и термодинамику объединяет понятие «работа». Работу совершают некоторые силы. Макроскопическое движение тел происходит в результате действия разнообразных сил. Все виды сил сводятся к четырём фундаментальным взаимодействиям [1]. Электромагнитные силы – это обмен фотонами. Гравитационное взаимодействие – это обмен гравитонами. Сильные взаимодействия есть обмен мезонами. Слабое взаимодействие реализуется через обмен глюонами [1]. Как видно, в основе всех взаимодействий (сил), как и всех видов энергии, опять усматривается движение (обмен частицами).

К этому выводу можно придти и с другой стороны. Рассмотрим силу инерции F=am. Силу тяжести F= G m₁ m₂ / r². Силу Кулона F= К q₁ q₂ / r². Мы видим, что все силы (F) уравниваются правыми членами уравнений: a (ускорение), m (масса), q (заряд), основой которых является движение материи. Следовательно, все силы возникают в результате скрытого движения материи, движения субстрата. В пустоте силы не возникают, поэтому СТО, опирающаяся на пустое пространство, не может объяснить механизм силовых взаимодействий.

В физике широко используется «таинственное» понятие «поле», которое проявляется как сила, действующая на другие тела в окрестностях вещества. Масса (скрытая форма движения) создаёт гравитационное силовое поле. Заряд создает электрическое поле. Мы уже знаем, что масса и заряд являются локальными формами движения внутри вещества. Локальное движение индуцирует в окрестностях тела некоторую форму движения, как вибрирующий в воде поплавок создает вокруг себя волны. Следовательно, поле - это также движение материи в окрестностях вещества, обладающего массой или зарядом.

Законы термодинамики получены на основе исследования молекулярных (атомарных) систем, поведение которых определяется относительно низкими уровнями энергии (теплота, энергия химических связей). Многократные измерения массы, теплоты, работы, температуры, давления доказывали справедливость законов сохранения в границах возможных точностей измерения.

Но СТО вывела мировоззрение на новые рубежи. Появилось представление, что движущиеся частицы тяжелее покоящихся. Это ограничило применение закона сохранения массы.

Рассмотрим экзотермическую реакцию А + В = С, проводимую в термостате. Вещества А и В вступали в реакцию при температуре Т₀. После реакции вещество С приобрело повышенную температуру Т₁. При этом Т₁>Т₀. Повышение температуры означает увеличения скорости движения молекул и, следовательно, небольшое приращение их массы. Получается, что продукты реакции должны быть «тяжелее» исходных компонентов. Закон сохранения массы от краха спасает только то, что приращение массы ничтожно при существующих скоростях движения молекул. Рассмотрим примеры, где законы сохранения массы и энергии соблюдаются с большими ошибками.

В мире более «мелких» частиц (нуклоны, электроны, фотоны) скорости движения существенно возрастают. И пренебрегать приращением массы «быстрых» частиц уже нельзя.

При взаимодействии частицы могут обмениваться квантами, энергия которых (их масса) берётся «в долг» у взаимодействующих частиц. Этот долг кратковременный, поэтому быстро возвращается обратно, что не успевает сказаться на состоянии системы [1]. Таким образом, в микромире регулярно происходят кратковременные нарушения законов сохранения.

Законы классической термодинамики являются статистическими, поэтому не могут распространяться на вакуум, т.к. формально вакуум не содержит частиц вещества, следовательно, использование статистики в вакууме невозможно. Понятие «энтропия» к вакууму также не применимо [38].

Мы уже знаем, что система является отражением некоторой реальности в сознании человека, удобным средством описания объектов [5]. Поэтому и классическая термодинамика строит системные представления о своих объектах.

Изолированной называется система, которая не обменивается энергией, теплотой или работой со своим окружением. Другими словами такая система не имеет окружения, что абсурдно. В непрерывной материальной, движущейся среде изолированных объектов быть не может. Такое можно представить только в сознании, сильно упрощая реальность.

Замкнутой называется система, стенки которой пропускают тепло и энергию, но не пропускают вещество. В реальности диффузия вещества идет через любые прочные стенки, но только очень медленно. Поэтому, например, термос без больших погрешностей можно считать замкнутой системой в течение короткого времени, пока не накопятся существенные изменения.

Незамкнутая система может обмениваться со своим окружением как энергией, так и веществом. Это типичный случай.

Можно обратить внимание, что в термодинамике игнорируются информационные потоки и учитываются только вещественные и энергетические потоки. Это объясняется тем, что творцы классической термодинамики не знали понятия «информация». Попытаемся расширить представления о типах термодинамических систем с использованием представлений об информационных потоках.

В первом разделе мы пришли к выводу, что информация – это «рябь», совокупность неоднородностей материального субстрата. Неоднородности не отделимы от вещества и метерии, поэтому перемещение вещества всегда сопровождается перемещением неоднородностей (информации). Но перемещение – это движение, поэтому можно говорить о триединстве потоков вещества (В) + энергии (Э)+ информации (И). Назовем их ВЭИ потоками.

Например, электрический ток представляет собой движение электронов (вещество). Энергия пара есть движение молекул воды. Механическая энергия - это движение тела (например, молотка), а свет, (электромагнитная волна) – это движение фотонов. Телеграфные сообщения (информация) являются прерывистым потоком электронов. Световой телеграф «работает» на неоднородных потоках фотонов.

Энергия и информация иногда может распространятся без переноса вещества, хотя и с его участием. Волны (звук, свет) переносят энергию и информацию, но при этом потоков вещества нет, есть колебания (энергия) воздуха. Когда по металлическому стержню распространяется тепло, то переносится энергия и информация, но вещество стержня не перемещается. В этом случае вещество играет роль среды, без которой невозможны потоки энергии и информации. Теперь можно перейти к другому обобщению.

Современнная наука рассматривает вещество как «сгустки» энергии, или циклические движения субстрата, или как определённые моды колебаний суперструн. Можно обобщить, что и энергия, и вещество в своей основе имеют движение, поэтому все потоки можно представить как энерго – информационные (ЭИ потоки). В эту категорию входят и волны, и потоки перемещения.

Исходя из новой точки зрения, можно окончательно исключить из рассмотрения изолированные системы, т. к. через любую оболочку могут проходить потоки нейтрино, гравитационные поля, электромагнитные волны. Электромагнитные экраны не задерживают волны, они их направляют в «обход» некоторого участка пространства. В главе 1 на этой основе отвергается возможность существоания инерциальных систем и принцип относительности движения. Находясь в любом объекте, всегда можно найти способ отличить покой от движения, вопреки принципу относительности Галлилея – Эйнштейна.

Парадигма ВЭИ потоков (ВЭИ - термодинамика) обладает большим эвристическим потенциалом. Например, экономику можно представить как процесс обмена потоками сырья, товаров, денег (информации). Обмен веществ в организмах, биоценозах, биосфере, как и экономика человечества, тоже является потоковым процессом.

Для примера, рассмотрим материальное производство как средство преобразования потоков. На вход производственной системы поступает поток В₁Э₁И₁. На выходе имеем поток В₂Э₂И₂. Производство включает процесс подведения энергии к предмету труда. Информация (знания рабочего, ЭВМ) управляет потоком энергии, прибавляя к предмету труда новую информацию. Подводимая энергия, сделав свое дело, может превратиться в тепло, но оставшаяся часть вещества и содержащаяся в нем информация приобретают статус нового продукта (товара). Итак, товар представляет собой некоторую новую атрибутивную информацию. Покупая скульптуру из мрамора, мы платим не столько за мрамор, сколько за образ, форму, т.е. за информацию, воплощенную в куске мрамора. Использование парадигмы ВЭИ потоков расширяет поле деятельности термодинамики.

Выводы.

1. Законы сохранения массы, энергии, импульса соблюдаются в приближённом виде только в атомарных и молекулярных системах.

2 Движение человеческим сознанием обобщается как время и энергия.

3. Высококачественные формы энергии реализуются локальными и простыми движениями субстрата. Снижение «качества» энергии сопровождается увеличением объема материи, охваченной движением, и расширением спектра форм движения.

4. Использование представлений о триединстве потоков вещества, энергии, информации расширяет сферу применимости термодинамики.