Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Події, що мають місце в нашому суспільстві останнім часом, зокрема ускладнення міжетнічних суперечностей, вкрай загострили питання про сутність націо...полностью>>
'Документ'
Продолжается работа над составлением и утверждением бюджетных программ в отраслях «Жилищно-коммунальное хозяйство», «Энергосбережение», «Культура и и...полностью>>
'Документ'
Прибытие в Прагу. Поселение в отель. Вечерняя пешеходная экскурсия по Старому городу Праги с осмотром Вацлавской площади, Пороховой башни, Староместск...полностью>>
'Документ'
является организационно-самостоятельным видом мониторинга окружающей среды в составе Национальной системы мониторинга окружающей среды в Республике Бе...полностью>>

Что такое тепловой заряд?

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

«Чтобы опровергнуть возражение против высказанного выше правила, ...будто бы оно предполагает, что тела или абсолютно тверды, или вполне упруги, т.е. такие, каких в природе не встречается, добавлю, что [подтверждающие его] опыты удаются как с телами мягкими, так и с жесткими, и совершенно не зависят от степени твердости их. Если это правило прилагать к телам не вполне твердым, то необходимо лишь уменьшать скорость отражения сообразно степени упругости тел. По теории Врена и Гюйгенса, тела абсолютно твердые отскакивают одно от другого со скоростью, равною скорости встречи. Точнее, это следовало бы сказать о телах вполне упругих. В телах не вполне упругих скорость расхождения должна быть уменьшена соответственно степени упругости» [1, С.53]. Таким образом, Ньютон, как видим, полностью принимает, в конечном счете, именно точку зрения Валлиса и прямо упрекает Врена и Гюйгенса за определенное несогласие с ней. В итоге он везде ведет речь о законе сохранения именно и только векторной (алгебраической) суммы импульсов, а о декартовой скалярной сумме даже не упоминает. Частично это объясняется, видимо, общим неприятием им всей декартовой физики в целом, но в данном конкретном случае, как будет показано, такая во многом оправданная позиция подталкивает его, однако, уже к принципиально ошибочным выводам.

Проанализируем претензии Ньютона к Гюйгенсу и Врену несколько подробнее. Главный его упрек к ним состоит в том, что они считали закон сохранения количества движения выполняющимся только тогда, когда «тела или абсолютно тверды, или вполне упруги, т.е. такие, каких в природе не встречается». Но в отношении декартовой суммы модулей макроскопических импульсов, о которой только и вели в действительности речь названные авторы, данное их утверждение абсолютно справедливо – эта сумма, как было отмечено, принципиально не сохраняется в Ц-системе при «не вполне упругом» ударе. Но Ньютон, как ни странно, попросту не понимает, что Врен и Гюйгенс говорят на самом деле именно о декартовой сумме - в своем противостоянии Декарту он, можно предположить, вообще проигнорировал указанную его идею, считая ее, видимо, недостойной серьезного внимания «гипотезой». И потому везде обсуждает, как мы видели, только алгебраическую сумму импульсов И. Валлиса.

При этом Ньютон специально подчеркивает первенство последнего даже «по времени обнародования найденного», лишний раз акцентируя тем самым внимание на безусловном, по его мнению, приоритете именно «суммы количеств движения, когда они направлены в одну сторону, и разности, когда они направлены в стороны противоположные». Как раз с отсутствием данного важнейшего, по его мнению, уточнения собственно «в теории Врена и Гюйгенса» (что Ньютон, видимо, объяснял для себя лишь элементарной невнимательностью не на много уступающих все же Валлису этих «величайших геометров») и связывал он, скорее всего, якобы допущенную ими злополучную ошибку. Другими словами, их вывод о сохранении полного количества движения только при абсолютно упругом столкновении он искренне считал, как теперь выясняется, просто небольшой неточностью названных авторов, изначально полагая совершенно очевидным, что столь уважаемые «геометры» не могли всерьез говорить о сохранении простой суммы скалярных импульсов, которое в общем случае принципиально не обеспечивается.

Таким образом, подведем предварительный итог, именно Ньютон, сам того не подозревая, и внес в результате описанного сейчас недоразумения первый действительно весомый вклад в дело изгнания, в конце концов, из классической механики исходно присутствовавшего в ней понятия внутреннего импульса механической системы, что косвенно подтверждается и соответствующим заключением историков науки. В цитировавшейся уже выше исторической работе, например, ее автор прямо констатирует, ссылаясь на труды именно Ньютона, что «к 80-м годам [ХVII века] уже было прекрасно осознано, что закон сохранения количества движения в том виде, как формулировал его Декарт, неправилен. Более того, - подчеркивает историк далее, - если принять его в этом виде, с одинаковым успехом может быть доказано и бесконечное возрастание количества движения, т.е. «вечное движение», и, наоборот, убывание его» [4, С.167]! Но справедлива ли эта точка зрения историков? Иначе говоря, действительно ли выводы Ньютона перечеркивают, во-первых, саму исходную идею Декарта, и действительно ли из последней неотвратимо следуют, во-вторых, абсурдные в целом заключения о возможности бесконечного возрастания количества движения, с одной стороны, и бесконечного его убывания, с другой? Вопросы эти настолько важны для рассматриваемой в настоящем разделе общей проблематики, что мы теперь обязательно должны предельно внимательно разобраться с каждым из них.

Начнем с сопоставления между собой выводов Исаака Ньютона и Рене Декарта. Последний, повторим, считал сохраняющейся сумму модулей импульсов сталкивающихся тел в их Ц-системе, т.е. оперировал, в конечном счете, именно с понятием скалярного внутреннего импульса. Ньютон же рассматривал совсем иную величину, равную алгебраической сумме этих импульсов (которые он считал, таким образом, векторными в современном понимании величинами). Вытекающие из анализа этих принципиально различных сумм физические выводы также являются совершенно различными! Векторная сумма импульсов образующих систему частиц определяет, как известно, векторный же импульс данной механической системы в целом, характеризующий движение ее центра масс относительно внешней системы отсчета. Таким образом, итоговый физический смысл утверждения о сохранении в замкнутой системе векторной (алгебраической) суммы импульсов ее частиц состоит на самом деле в провозглашении неизменным именно указанного внешнего движения замкнутой системы как целого. Декартово же правило провозглашает на сей раз, напротив, сохранение уже собственно внутреннего ее движения!

А это значит, что принципиально неверно говорить о противоречии друг другу декартова и ньютонова умозаключений, справедливость второго из которых якобы доказывает ошибочность первого. Эти два вывода, как теперь ясно, вообще не могут противостоять друг другу, ибо относятся на самом деле к различным по своей сути физическим вопросам. Более того - они попросту дополняют друг друга, только в совокупности позволяя дать по-настоящему целостную характеристику полного движения механической системы! Ньютонов закон, повторим, относится к внешнему ее движению и устанавливает, в конечном счете, независимость такового от действующих в системе внутренних сил. А декартов, напротив, описывает уже внутреннее ее движение и провозглашает сохранение на сей раз уже самого внутреннего импульса! Верно это утверждение или нет - вопрос другой, требующий отдельного рассмотрения, но к закону Ньютона оно, повторим, никакого отношения принципиально не имеет. Таков окончательный наш ответ на поставленный выше первый вопрос, касающийся якобы опровержения идеи Декарта именно самими ньютоновыми выводами.

Попробуем теперь более внимательно разобраться и со вторым вопросом, затрагивающим на сей раз уже саму по себе проблему справедливости или несправедливости фундаментальной идеи Декарта, противоречащей якобы реальным физическим явлениям. Конкретно - вроде бы очевидному уменьшению внутреннего импульса в одних случаях (при том же «не вполне упругом» ударе, например) и возрастанию его, напротив, в других (когда находившиеся ранее во взаимном покое части системы начинают, скажем, взаимно двигаться в результате гравитационного или электромагнитного взаимодействия). По поводу первого из этих кажущихся противоречий можно теперь заметить, что в отличие от абсолютно упругого столкновения, когда сумма скалярных импульсов полностью сохраняется даже на макроскопическом уровне, при «не вполне упругом» ударе имеет место полный или частичный переход исходного макроскопического движения в невидимое невооруженным глазом микроскопическое. Так что говорить об исчезновении при этом движения вообще, сделаем пока первый, пусть и сугубо предварительный, вывод, уже в корне неправильно! Что же касается главного нашего вопроса о сохранении или не сохранении в данной ситуации самого по себе внутреннего импульса, то до специального рассмотрения особенностей названного скрытого микроскопического движения об этом ничего сказать попросту нельзя. Т.е. на вопрос о справедливости или несправедливости собственно фундаментальной идеи Декарта до указанного специального рассмотрения нельзя было дать, подчеркнем, ни положительного, ни, главное, отрицательного ответа!

Во времена Ньютона анализ микроскопического движения, естественно, полностью отсутствовал (хотя сам он, как и те же Декарт с Гюйгенсом, считали теплоту связанной именно с движением образующих тела микроскопических частиц), и потому он вообще не касается этого вопроса. Но вот почему данная проблема так и не была рассмотрена значительно позже, при формировании в середине ХIХ века собственно молекулярно-кинетической теории тепловых явлений - это исключительно важный самостоятельный вопрос, который мы обязательно рассмотрим далее. Сейчас же, после демонстрации принципиальной ошибочности самого по себе утверждения об исчезновении якобы движения при неупругом столкновении и т.д., покажем предельно кратко не меньшую ошибочность и противоположного ему голословного утверждения о неограниченном возникновении якобы движения при гравитационном или электромагнитном взаимодействиях. Для этого достаточно просто указать здесь пока, что электромагнитное и гравитационное поля сами характеризуются определенной формой импульса, и ее возможное изменение, следовательно, обязательно необходимо учитывать при возникновении под влиянием порождаемых ими сил сугубо механического движения. Так что исходная идея Декарта, как видим, и в данном отношении вовсе не бессмысленна, что уже окончательно доказывает бесспорное ее право быть хотя бы всесторонне рассмотренной и изученной.

Вернемся, однако, к вопросу о том, почему возможность сохранения при неупругом ударе именно декартова внутреннего импульса вообще не рассматривалась при формировании основ термодинамики? И укажем, прежде всего, на то, что практически одновременно с Ньютоном еще один мощнейший удар по самой обсуждаемой декартовой идее нанес знаменитый Готфрид Вильгельм Лейбниц. В своей небольшой шестистраничной работе «Краткое доказательство удивительной ошибки Декарта и других относительно закона природы, согласно которому, как полагают, Господь всегда сохраняет одно и то же количество движения, но который разрушает механику» он предложил вообще отказаться от понятия импульса как такового, заменив его специально введенной живой силой. (Т.е., говоря современным языком, кинетической энергией, удвоенной величине которой и равна названная живая сила.) Таким образом, отрицание декартова внутреннего импульса происходило сразу с двух различных сторон: Ньютон отказался от него во имя перехода к единственно сохраняющемуся, по его мнению, внешнему векторному импульсу, а Лейбниц - к единственно сохраняющейся, как он считал, живой силе или кинетической энергии. И это, как легко понять, окончательно запутало ситуацию, не позволив ей в итоге разрешиться по-настоящему правильным образом.

На первых порах, впрочем, гораздо большее значение имела именно лейбницева критика, ибо ньютонианство проникло в континентальную Европу (став в итоге и там доминирующей теорией) почти со столетним опозданием. Поэтому первоначально в Европе разгорелся ожесточенный спор по рассматриваемому сейчас главному вопросу между сторонниками Декарта и Лейбница, вошедший в историю науки под именем «спора о живой силе». Он продолжался в конечном счете около ста лет и в него оказались вовлечены практически все известные физики ХVIII века. Но к окончательной ясности в рассматриваемой проблематике этот спор все же так и не привел, ибо ее принципиально нельзя достичь при рассмотрении единственно только и анализировавшихся в тот период консервативных систем. Ведь в таковых, как легко показать, равным образом сохраняются при отсутствии внешних взаимодействий как энергия, так и скалярный импульс, что делает эти физические характеристики абсолютно равноценными.

Очень наглядно полная эквивалентность декартова закона сохранения внутреннего импульса и лейбницева закона сохранения живой силы (кинетической энергии) в консервативных процессах проявляется, например, при рассмотрении того же абсолютно упругого удара. При этом также окончательно раскрывается сформулированный ранее важнейший тезис о взаимном дополнении законов сохранения внешнего и внутреннего движений механической системы в целом, в связи с чем вообще имеет смысл рассмотреть теперь абсолютно упругое столкновение немного подробнее. Начнем же это рассмотрение с того, что покажем для примера, как данный вопрос излагается, скажем, в известном «Общем курсе физики» Д.В. Сивухина. Приводимый там анализ простейшего лобового столкновения двух тел сводится к следующему стандартному рассуждению: «Рассмотрим… центральный удар абсолютно упругих шаров. В этом случае скорости шаров до удара V1 и V2 направлены вдоль прямой, соединяющей их центры… Скорости шаров после столкновения V1 и V2 легко найти из законов сохранения импульса и энергии:

m1V1 + m2V2 = m1V1 + m2V2, (12)

m1V12/2 + m2V22/2 = m1V12/2+ m2V22/2. (13)

Так как одно из этих уравнений квадратное, а другое – линейное, то [образованная ими] система должна иметь два решения относительно неизвестных V1 и V2. Одно из этих решений можно указать сразу, а именно: V1′=V1 и V2′=V2. Но это решение не удовлетворяет условию задачи. Ему соответствует случай, когда скорости шаров не изменились, т.е. шары не претерпели столкновения. Существование такого решения неизбежно. Действительно, законы сохранения импульса и энергии можно написать для двух любых состояний системы, разделенных каким-то промежутком времени… Но в самих законах сохранения еще не заложено условие, что столкновение произошло. Это условие должно быть указано дополнительно… Чтобы получить решение, относящееся к столкновению, очевидно, надо потребовать, чтобы скорости шаров изменились, т.е. V1′≠V1 и V2′≠V2. Заметив это, перепишем уравнения (12) и (13) в виде:

m1 (V1 - V1) = m2 (V2 - V2), (14)

m1 (V12 - V12) = m2 (V22 - V22). (15)

Так как (V1 - V1) и (V2 - V2) не равны нулю, то уравнения можно поделить почленно. Это дает

V1 + V1 = V2 + V2. (16)

В результате задача свелась к решению системы двух линейных уравнений (14) и (16). Решая их, найдем единственное решение…, удовлетворяющее условию задачи» [2, С.161, 162].

Анализируя приведенное сейчас рассуждение, отметим, прежде всего, что уравнение (16) может быть представлено и в следующем виде:

V1′ - V2′ = V2 - V1. (17)

Или в общем случае, учитывающем оба отмеченных выше возможных решения,

|Vотн′| = |Vотн|. (18)

А отсюда следует, что необходимую для отыскания итоговых скоростей V1 и V2 систему двух линейных уравнений можно сразу составить просто из уравнений (12) и (18), выражающих законы сохранения двух главных скоростей рассматриваемой замкнутой механической системы: скорости ее центра масс и модуля относительной скорости взаимного движения ее частей!

При изучении абсолютно упругого удара, таким образом, никаких других законов сохранения вообще не требуется (если не считать, конечно, неявно используемого здесь предположения о сохранении всех рассматриваемых масс). Но так как неизменность скорости центра масс в общем случае связывают с законом сохранения векторного импульса рассматриваемой замкнутой механической системы, то и принцип сохранения модуля относительной скорости взаимного движения ее частей тоже можно представить для симметрии в виде соответствующего закона сохранения модуля ее внутреннего импульса μVотн:

|μ'Vотн′| = |μVотн|. (19)

Этот закон прямо следует из равенства (18) и неизменности при абсолютно упругом ударе собственно приведенной массы μ, и в данном конкретном случае, повторим, является, вообще говоря, излишним. Но при переходе к рассмотрению «не вполне упругого» удара, как мы в конце концов покажем, соотношение (19) становится попросту решающим, ибо приведенная масса в данном случае (заметим пока без доказательств) должна принципиально возрастать!

Вернемся, однако, к абсолютно упругому столкновению. При его изучении можно, конечно, использовать при желании вместо равенства (19) и прямо вытекающий из него с учетом неизменности самого модуля относительной скорости закон сохранения взаимной кинетической энергии µVотн2/2. Именно ее сохранение, подчеркнем этот момент особо, и выражает фактически сам закон сохранения кинетической энергии в целом, ибо уравнение (13) само по себе является принципиально избыточным! Оно выражает, согласно известной теореме Кенига, принцип сохранения при абсолютно упругом ударе общей суммы кинетической энергии внешнего движения рассматриваемой замкнутой механической системы как целого и взаимной кинетической энергии относительного движения ее частей. Но сохранение первого из этих слагаемых, как легко видеть, уже отражено исходным уравнением (12), выражающим закон сохранения скорости центра масс. И потому вместо уравнения (13) правильнее было бы использовать, как теперь ясно, выражающее сохранение одной только взаимной кинетической энергии уравнение

µ'Vотн2 /2 = µVотн2 /2. (20)

«При столкновении кинетическая энергия шаров (m1+ m2)V2/2, связанная с движением их центра масс, - подчеркивает этот момент сам Сивухин, - измениться не может, так как не может измениться скорость самого центра масс. Может претерпеть изменения только кинетическая энергия µ(V1–V2)2/2 относительного движения шаров. В случае абсолютно упругого удара [она сохраняется]» [2, С.161].

Итак, закон сохранения введенной Лейбницем живой силы (кинетической энергии) имеет реальное научное значение, можем сделать уже теперь первый важнейший вывод, только в отношении внутреннего движения механической системы! При анализе абсолютно упругого столкновения он полностью взаимозаменяем в этой части с законом сохранения модуля внутреннего импульса Декарта и потому оба названных закона в данном случае абсолютно равноценны. Отсюда и неспособность механики ХVIII века отдать предпочтение одному из них - при исследовании одних только консервативных процессов это сделать невозможно, а к изучению законов диссипативных преобразований механика тогда была еще просто не готова. С другой же стороны, перейдем к следующему принципиальному выводу, отдельный закон сохранения именно самого внутреннего движения обязательно должен присутствовать в той или иной своей форме в рамках классической механики, т.к. в противном случае не может быть сколько-нибудь строго решена даже простейшая задача об абсолютно упругом столкновении двух шаров. В ее рамках требуется в итоге определить как минимум две неизвестные величины – конечные скорости шаров V1 и V2 после их лобового столкновения (или, что эквивалентно, скорость их взаимного относительного движения и скорость центра масс образованной ими механической системы в выбранной конкретной системе отсчета). А значит, необходимы и как минимум два независимых уравнения, выражающих соответствующие законы сохранения.

Именно таковыми и выступают, как теперь ясно, два отдельных закона сохранения внешнего и внутреннего движений рассматриваемой замкнутой механической системы, которые в случае абсолютно упругого столкновения принимают простейшую форму сохранения самих характеризующих эти движения скоростей: скорости центра масс рассматриваемой системы и модуля относительной скорости взаимного движения ее частей! Один только закон сохранения векторного импульса, таким образом, как раз и выражающий принцип сохранения непосредственно скорости внешнего движения, совершенно недостаточен, откуда и принципиальная ошибочность описанного выше стремления И. Ньютона вообще отказаться от декартовой идеи о сохранении собственно внутреннего импульса. Эти два закона сохранения, как уже было сказано, взаимно дополняют друг друга, и потому равным образом должны присутствовать в арсенале классической механики.

Именно в связи с отмеченной сейчас ошибкой Ньютона и оказалась, в конечном счете, столь живучей сама главная идея Лейбница о необходимости введения в механику принципиально новой сохраняющейся величины. Полностью вытеснить из нее импульс его живая сила, конечно, так и не смогла, ибо при описании внешнего движения замкнутой системы скалярная кинетическая энергия принципиально не может заменить собой векторный импульс, с которым в общем случае связаны, как известно, три самостоятельных закона сохранения. Но вот образовавшуюся в механике И. Ньютона прореху в виде отсутствия в ней совершенно обязательного закона сохранения еще и внутреннего движения тоже названная идея Лейбница вроде бы заполнила – именно закон сохранения кинетической энергии, как было специально продемонстрировано, и решает сегодня фактически эту важнейшую задачу. Идея же Декарта, напротив, оказалась на сегодняшний день уже полностью забыта, не выдержав, в конце концов, борьбы сразу на два фронта. Ведь с выходом на первый план в Европе к концу ХVIII века собственно ньютоновой механики (во многом представляющей собой, напомним, прямую оппозицию механике Декарта) сторонники закона сохранения внутреннего импульса уже не смогли более успешно противостоять наседавшим сторонникам закона сохранения живой силы. И хотя никаких объективных предпосылок к предпочтению именно последнего по-прежнему не существовало, субъективный фактор оказался в создавшихся условиях попросту решающим.

Но сделанный в итоге выбор в пользу закона сохранения именно живой силы был, к сожалению, крайне неудачным. И дело даже не в том, что в результате в механике оказались две совершенно различные сохраняющиеся величины – импульс и энергия, что до сих пор озадачивает абсолютное большинство впервые изучающих ее людей. Главный негативный результат такого выбора сполна проявился именно тогда, когда в середине ХIХ века начала формироваться молекулярно-кинетическая теория строения вещества и непосредственно связанная с ней термодинамика. Именно тогда стало во многом ясно, что теплота представляет собой на самом деле определенный вид движения, и возникла, соответственно, новая важная задача точной физической идентификации существовавшего уже к тому моменту научного понятия «количество теплоты», как конкретной количественной характеристики данного принципиально внутреннего движения образующих систему микроскопических частиц! А так как единственной сохранившейся к тому времени характеристикой внутреннего движения механической системы была уже только живая сила (кинетическая энергия), то именно с ней и было отождествлено, в конечном счете, само это важнейшее понятие. Об альтернативной же возможности трактовки количества теплоты как количества самого внутреннего движения (т.е. внутреннего импульса рассматриваемой системы) никто, похоже, даже и не вспомнил, ибо декартов подход к тому времени был уже полностью забыт официальной наукой! А зря, т.к. это позволило бы избежать, как мы теперь хорошо понимаем, очень многих серьезнейших ошибок, сопровождающих с тех пор физику вплоть до сегодняшнего дня.

В предыдущих статьях уже было многократно показано, к каким совершенно абсурдным выводам привело в термодинамике отождествление количества теплоты с энергией. В заключительном разделе настоящей мы постараемся еще более усилить это впечатление, проиллюстрировав в нем «на закуску» всю глубину абсурдности еще и такого широко известного термодинамического понятия, как максимально достижимый коэффициент полезного действия тепловой машины. (Который в обычных условиях ее работы принципиально должен быть якобы намного меньше единицы!) Все эти моменты убедительно показывают, что утверждение о сохранении при том же трении непосредственно самой энергии напрямую завело науку в совершенно очевидный теоретический тупик. Но теперь, осмыслив, наконец, тот принципиально важный факт, что абсолютно реальной альтернативой подобному предположению может быть и совершенно иное утверждение - о сохранении при трении внутреннего импульса механической системы (т.е. собственно количества ее внутреннего движения) - мы легко можем исправить это положение. Ведь если принять за основу, что количество теплоты – это именно указанное количество внутреннего движения (в общем случае данное понятие, подчеркнем теперь особо, включает в себя на только внутренний импульс, но и некоторые важные смежные понятия, о чем мы еще будем говорить впоследствии), то все естественно становится на свои места!

Само же количество теплоты при таком подходе уже прямо идентифицируется, понятно, как тепловой заряд, ибо именно зарядом, как мы знаем, и является по своей физической сути любое количество движения в целом. Так что во многом разрешенной оказывается в итоге и сама главная задача настоящей статьи – тепловым зарядом теперь уже окончательно можно считать именно количество внутреннего движения механической системы! Экспериментальным же подтверждением справедливости такого шага должен стать уточненный результат самих опытов Джоуля, ибо недопустимо большой разброс полученных им значений «механического эквивалента теплоты» как раз и объясняется тем, что истинная эквивалентность существует здесь в действительности между теплотой и количеством движения! Естественно уточняется, наконец, и молекулярно-кинетическая теория, в рамках каковой принципиально важно понять, что при неупругих столкновениях обязательно должна возрастать взаимная кинетическая емкость рассматриваемой механической системы! Этот важнейший вопрос, впрочем, требует отдельного подробного рассмотрения, чему и будет обязательно посвящена одна из наших ближайших статей.

4. Очередной триумф относительности.

Связывание разрешенных проблем с проблемами неразрешенными, внушая новые идеи, может пролить новый свет на наши трудности.

А. Эйнштейн, Л. Инфельд.

Цель всякой теории – вести нас к новым фактам, наводить на мысль о новых экспериментах и приводить к открытию новых явлений и новых законов.

А. Эйнштейн, Л. Инфельд.

Во втором разделе настоящей статьи мы много говорили о различных характеристиках подробно обсуждавшихся там электрических и кинетических конденсаторов. Но все сказанное равным образом может быть применено, разумеется, и к собственно тепловым явлениям, где тоже можно говорить, соответственно, о своеобразном тепловом конденсаторе! Понятно, что под таковым следует понимать обычную пару нагретых тел, анализ каковой опять-таки удобнее всего вести в соответствующей Ц-системе отсчета. На сей раз ею будет подробно рассмотренная еще в первом разделе тепловая Ц-система, в которой за нулевую температуру принимается, напомним, температура центра теплоемкостей рассматриваемой системы тел. При таком взгляде тепловые заряды нашей пары тел опять же будут тождественно равны друг другу по модулю и противоположны по знаку, причем сами их модули Q будут задаваться по аналогии с формулой (5) следующим естественным выражением:

Q = CkUT , (21)

где UT - «тепловое напряжение» на нашем конденсаторе, равное разности температур образующих его тел, а Сk - их взаимная теплоемкость, представляющая собой в данном случае емкость самого теплового конденсатора.

Эта последняя прямо связана опять же с теплоемкостями самих тел хорошо знакомой нам теперь формулой, полностью аналогичной выражениям (3) и (4), и может определяться опять-таки как отношение теплового заряда, перенесенного с одного тела на другое, к образовавшейся благодаря такому переносу разности температур между ними. Остается только добавить, что сам этот перенесенный заряд по аналогии с формулой (10) тоже определяется выражением (21), выступая на сей раз уже зарядом самого теплового конденсатора. При этом он опять же не имеет знака, т.е. является скаляром, и представляет собой, в конечном счете, внутренний тепловой заряд рассматриваемой конкретной тепловой системы (тогда как ее внешний тепловой заряд, равный алгебраической сумме зарядов отдельных тел, в тепловой Ц-системе всегда равен нулю). Наконец, запасенная в «заряженном» тепловом конденсаторе энергия E определится, как обычно, следующим универсальным образом:

E = QUT/2 = СkUT2/2 = Q2/2Сk. (22)

(При этом опять же нужно особо подчеркнуть во избежание возможных недоразумений, что все обсуждающиеся в настоящей статье физические емкости для простоты приняты в ней независящими от соответствующего потенциала или напряжения.)

Теперь можно также уточнить по аналогии, что по-настоящему реальное значение в соответствии с общефизическим принципом относительности имеет только описанная сейчас взаимная тепловая энергия, как раз и образующая энергию заряженного теплового конденсатора. Тепловая же энергия отдельных тел является сугубо условным понятием и выражает собой на самом деле опять-таки взаимную энергию того условного теплового конденсатора, который можно считать образованным нашим конкретным телом и намного превосходящим его по своей индивидуальной теплоемкости гипотетическим другим, имеющим нулевую температуру. Впрочем, и сама индивидуальная теплоемкость как таковая тоже представляет собой, понятно, взаимную теплоемкость аналогичной системы тел, т.е. и здесь реальное значение имеют, как обычно, только относительные взаимные характеристики, но никак не абсолютные! Уяснив для себя все это, мы легко можем выполнить теперь данное в конце предыдущего раздела обещание и непосредственно продемонстрировать напоследок всю глубину абсурдности такого широко известного понятия, как предельно достижимый коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Обычно названный КПД задается в современной термодинамике следующим, подаваемым в восторженных тонах выражением, отражающим якобы совершенно удивительный закон природы:

η = (Т1 – Т2)/Т1, (23)

где η – сам КПД тепловой машины, а Т1 и Т2 – абсолютные температуры ее нагревателя и холодильника соответственно. При этом особо подчеркивается к тому же тот естественно вытекающий из приведенной сейчас формулы факт, что только при равенстве нулю абсолютной температуры холодильника (что на практике не достижимо) этот КПД становится равным единице. И тогда якобы в полном объеме может быть реализована в виде работы так называемая собственная внутренняя энергия нагревателя, каковою, напомним, считается сегодня само заключенное в нем количество теплоты Q1. Но мы теперь хорошо понимаем, что в действительности индивидуальная тепловая энергия нагревателя E1 в соответствии с фундаментальной формулой Карно задается несколько иначе, выражаясь в данном случае следующим естественным (в свете всех остальных разделов физики) образом:

Е1 = Q1T1/2, (24)

где Q1 – уже не энергия, а собственно тепловой заряд.

Причем эта индивидуальная энергия Е1, как только что было показано, является чисто условной гипотетической величиной и приобретает реальный смысл только как взаимная энергия гипотетического же теплового конденсатора, образованного данным нагревателем и намного превосходящим его по своей теплоемкости другим телом, имеющим нулевую температуру. Иначе говоря, определяемая формулой (24) индивидуальная тепловая энергия нагревателя приобретает реальный смысл и может быть полностью использована для производства работы только при наличии имеющего бесконечно большую теплоемкость холодильника с нулевой абсолютной температурой! Но именно последнее условие, напомним, как раз и превращает в единицу собственно пресловутый КПД, т.е. опять же позволяет полностью использовать всю энергию нагревателя. А значит, указанный КПД лишь отражает на самом деле тот совершенно тривиальный при правильном понимании происходящего факт, что понятие собственной энергии нагревателя попросту лишено реального смысла в силу фундаментального принципа относительности!

Такой смысл может иметь, повторим, только энергия реально существующего теплового конденсатора, образованного тем же нагревателем и реально присутствующим холодильником. Эта единственно реальная энергия, только и способная произвести работу, пропорциональна в соответствии с выражением (22) именно разности температур нагревателя и холодильника, что и выражает, в конечном счете, сама формула для КПД (23). Точный же ее итоговый смысл может быть объяснен при этом так. Пусть, например, бесконечно малое количество теплоты dQ в процессе работы тепловой машины переходит от ее нагревателя к холодильнику (само требование бесконечной малости dQ необходимо здесь для того, чтобы приближенно считать температуры нагревателя и холодильника не изменяющимися в ходе указанного самопроизвольного процесса). Тогда запасенная в образованном ими тепловом конденсаторе энергия уменьшится на величину dQ1–Т2), подобно уменьшению гравитационной энергии воды на величину mg(h1-h2) при падении бесконечно малого ее количества массой m с высоты h1 до высоты h2. В таком же объеме, разумеется, может быть произведена при отсутствии потерь и сама полезная работа.

При фиксированной абсолютной температуре нагревателя ее величина будет наибольшей, понятно, при нулевой абсолютной температуре холодильника и определится в данном практически не достижимом идеализированном случае выражением dQТ1. При любой же другой реальной температуре холодильника способная быть произведенной в ходе рассматриваемого процесса работа будет уже принципиально меньшей и составит от указанной идеализированной величины как раз ту самую конкретную долю, которая и задается отношением 1–Т2)/Т1! Так что именно данный особый факт и выражает собой на самом деле, как теперь хорошо видно, формула для предельно достижимого КПД тепловой машины (23), а сам этот вроде бы исключительно важный показатель, начисто отсутствующий в таком совершенно особом понимании во всех остальных разделах физики, оказался необходим в термодинамике просто-напросто потому, что из формулы для тепловой энергии в ней элементарно выпала собственно разность температур. (Т.е. та самая фундаментальная разность потенциалов, без которой принципиально не может обойтись ни одно выражение для физической энергии вообще!) В результате же термодинамикой оказался также проигнорирован, повторим, и собственно фундаментальный принцип относительности, ибо сама полная тепловая энергия, как только что было показано, оказалась здесь по сути дела напрямую связанной с выделенным абсолютным нулем температур. (А не с относительной разностью таковых, не зависящей в целом от выбора точки нулевого потенциала, как по определению требует названный принцип относительности.)

«Так-то оно так, - возможно скажет кое-кто, - с принципом относительности в целом не поспоришь, но как же понимать тогда сам абсолютный нуль температуры? Ведь эта совершенно особая точка на рассматриваемой особой температурной шкале носит, несомненно, исключительный характер и тем самым вроде бы опровергается и сама применимость принципа относительности к рассматриваемому конкретному классу явлений»! Для ответа на этот важный вопрос мы опять-таки обратимся к научной аналогии и отметим прежде всего, что вот уже сто лет в физике присутствует другая столь же исключительная точка на той же самой шкале механических скоростей, к которой и сводится, по сути дела, сама температурная шкала – скорость света в вакууме C! Она, подчеркнем, точно так же не достижима на практике для обычных тел, как и абсолютный нуль температуры, и ее существование в свое время тоже рассматривалось, обратите внимание, как прямое опровержение принципа относительности. Но в итоге оказалось, как известно, что ошибочен не принцип относительности, а описывавшая его тогда упрощенная формула: потребовалось перейти, в конечном счете, от классического преобразования Галилея, связывающего скорости во взаимно движущихся системах координат, к релятивистскому преобразованию Лоренца. В результате полностью отпала необходимость в выделенной абсолютной координатной системе, в которой скорость света вроде бы только и равнялась C, а сам принцип относительности был уже окончательно утвержден в науке в качестве основополагающего закона природы.

Но все это в полной мере применимо, подчеркнем теперь особо, и к противоположной крайней точке шкалы относительных скоростей – абсолютному нулю температуры. При приближении к таковой тоже необходим обязательный переход от классического преобразования температур, связывающего различные температурные шкалы, к релятивистскому, аналогичному по своей форме тому же преобразованию Лоренца. Точнее, необходим переход уже к единому универсальному преобразованию, применимому ко всему допустимому диапазону относительных скоростей в целом! И тогда опять-таки полностью отпадет необходимость в выделенной особой температурной шкале, благодаря чему уже окончательно рассеются сомнения и в универсальности собственно принципа относительности. Но все это, однако, как легко понять, требует подробного отдельного рассмотрения и потому никак уже не вписывается в узкие рамки настоящей статьи.

Итак, подведем итог данному краткому разделу, метод научных аналогий вновь продемонстрировал свою исключительную плодотворность, позволив сначала легко выявить и устранить очередную термодинамическую несуразность, а затем и наметить, в конечном счете, принципиально новое важнейшее направление исследований! В последнем очень показательном факте предельно наглядно проявились, подчеркнем, неисчерпаемые его эвристические возможности, позволяющие зачастую с легкостью предвидеть совершенно новые классы природных явлений. Именно об еще одном из них и хотелось бы теперь упомянуть в заключение, прокладывая тем самым мост от данной конкретной статьи к последующим. Речь идет, на сей раз, о совершенно неосознаваемом пока физикой особом новом виде энергии, обусловленном уже движением собственно самих тепловых зарядов (тепловым потоком). Он аналогичен, как легко понять, хорошо известной магнитной энергии, обусловленной движением зарядов электрических (электрическим током). Так что впереди нас еще ждет, как видите, очень много интересного.

Литература.

1.Ньютон Исаак. Математические начала натуральной философии. М.: Наука, 1989.

2.Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. пособие для студентов физических специальностей вузов. Т. I. Механика. М.: Наука, 1989.

3. Иродов И.Е. Основные законы механики: Учеб. пособие для студентов физических специальностей вузов. М.: Высш. школа, 1978.

4. Григорьян А.Т. Механика от античности до наших дней. М.: Наука, 1974.

5. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М.: Наука, 1965.

Справка:

Львов Иосиф Георгиевич, <iglvov@>

Львов И.Г., «О законах сохранения движения», 17.03.2002

/phisica2.htm

Львов И.Г., «Что такое энергия?», 17.03.2002

/philosophiya2.html

Львов И.Г., «Что такое энтропия?», 21.10.2002

/phisica4.htm

/rus/catalog/pages/6653.html

Львов И.Г., «Что такое тепловой заряд?», 06.02.2004

/phisica5.htm



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Что такое химия окружающей среды

    Документ
    Термин «химия окружающей среды» не имеет четкого определения. Для разных людей он означает разное. Специалисты по химии окружающей среды принимают участие в решении важных вопросов по состоянию окружающей среды — истощению озонового
  2. Что такое респираторная

    Рассказ
    Автору жаль места и времени, чтобы рассказывать во Введении и к этой, и к другим своим книгам, как важны вопросы, рассматриваемые в последующих главах.
  3. Что такое звезды? План реферата

    Реферат
    На протяжении веков единственным источником сведений о звездах и Вселенной был для астрономов видимый свет. Наблюдая невооруженным глазом или с помощью телескопов, они использовали только очень небольшой интервал волн из всего многообразия
  4. Что такое войска спецназначения

    Книга
    Что такое войска спецназначения? Наверняка многие без труда ответят, что под таким термином подразумеваются особым образом отобранные и подготовленные группы военнослужащих, способные скрытно провести специальную операцию в тылу противника,
  5. Что такое сыроедение и как стать сыроедом (натуристом)

    Документ
    Для тех, кто пока еше не верит, что в основном мы свои недуги старательно , и думает, что болезни сваливаются на нас совершенно случайно, и от этих напастей надо лишь знать , расскажем вкратце, лечили врачи сыроедением.

Другие похожие документы..