УДК 536.11 + 536.7

О БАЗОВОЙ РОЛИ ОБЪЕМНОЙ ЭНЕРГИИ В МАКРОФИЗИКЕ

Кобзарь Павел Николаевич1, Кобзарь Константин Павлович2
1Новосибирский государственный педагогический университет, кандидат геолого-минералогических наук
2Новосибирский государственный педагогический университет, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры информационных систем и технологий

Аннотация
Показано, что давление не может служить и не служит параметром состояния вещества. Этим параметром является объемная плотность энергии, имеющая для макрофизики важнейшее значение. Подчеркнуто, что в отличие от массовых, атомных и молярных только объемные термодинамические величины выявляют периодичность свойств химических элементов и соединений в соответствии с периодическим законом Д.И. Менделеева. Использование объемной плотности энергии как параметра состояния показало, что уравнение Клапейрона-Менделеева имеет простой смысл: энергия равна энергии.

Ключевые слова: гидростатический парадокс, давление, параметр состояния, плотность энергии, термодинамические параметры, уравнение Клапейрона-Менделеева


ON THE BASIC ROLE OF VOLUMETRIC ENERGY IN MACROPHYSICS

Kobzar Pavel Nikolaevich1, Kobzar Konstantin Pavlovich2
1Novosibirsk State Pedagogical University, Ph.D. in Geology and Mineralogy
2Novosibirsk State Pedagogical University, Ph.D. in Geology and Mineralogy, Associate Professor, Department of Information systems and technology

Abstract
It is shown that the pressure cannot and does not serve as a parameter of state of matter. Volumetric energy density is this parameter that is essential for macrophysics. It is emphasized that only volumetric thermodynamic quantities reveal the periodicity properties of chemical elements and compounds in accordance with the periodic law of D.I. Mendeleev. The using a volumetric energy density as the state parameter showed that Clapeyron equation has a simple meaning: energy equals energy.

Рубрика: 01.00.00 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Кобзарь П.Н., Кобзарь К.П. О базовой роли объемной энергии в макрофизике // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 8. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37242 (дата обращения: 03.06.2017).

Глубокое понимание смысла используемых терминов и понятий является основой науки и ее развития. Тем более это актуально для понятий основополагающих. По словам М. Планка цель науки состоит «в полном освобождении физической картины мира от индивидуальности творческого ума… от антропоморфных элементов» [1, с. 631-632]. В рамках поставленной М. Планком цели рассмотрим некоторые важные для физики понятия. В целях минимизации возможных неточностей формулировок конкретных авторов в настоящей работе использованы по возможности определения из справочной литературы. Начнем с базового понятия — давление.«Давление — скалярная величина, характеризующая напряженное состояние сплошной среды. В случае равновесия произвольной и движения идеальной (лишенной внутреннего трения) сред давление равно взятой с обратным знаком величине нормального напряжения на произвольно ориентированной в данной точке площадке» [2, с. 547]. Более частные определения: «Давление звукового излучения (радиационное давление звука, давление звука) — среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещенное в звуковое поле» [2, с. 553], «давление света — давление, оказываемое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы…» [2, с. 553]. Обобщая, можно резюмировать, что давление — величина, характеризующая определенное воздействие на площадку, препятствие или тела. В этой связи несколько противоречиво звучит утверждение, являющееся общепринятым, что «давление, так же как плотность и температура, представляет собой основной макроскопический параметр состояния жидкости и газа» [2, с. 547]. Следует заострить внимание на понятии параметр состояния. «Состояние системы в физике — определяется совокупностью значений характерных для данной системы физических величин, называемых параметрами состояния» [3, с. 494]. Таким образом, параметр состояния — физическая величина, характеризующая состояние системы. Например, «параметр состояния термодинамический системы — физическая величина, служащая в термодинамике для характеристики состояния рассматриваемой системы» [3, с. 363]. В свою очередь:«Состояние — совокупность основных параметров и характеристик какого-либо объекта, явления или процесса в определенный момент (или интервал) времени» [4, с. 600]. По В.Н. Волковой и А.А. Денисову «понятием “состояние” обычно характеризуют мгновенную фотографию, “срез” системы, остановку в ее развитии» [5, с. 30]. То есть любой параметр состояния характеризует в конкретный момент времени какое-то свойство системы. Но если давление, как утверждается, подразумевает воздействие на определенные объекты, его едва ли можно считать параметром состояния. Тогда по аналогии следовало бы признать, например, что и работа является параметром состояния. Последняя аналогия тем более интересна, что в вышеуказанной статье о давлении сказано: «давление в термодинамике — термодинамический параметр Р, определяющий элементарную работу…» [2, с. 547]. Но по определению работа — «мера действия силы, зависящая от её модуля и направления и от перемещения точки приложения силы» [6, с. 193]. Исходя из всего сказанного необходимо четко обозначить, что состояние отражает «срез», иногда процесс, но в любом случае не причины. Состояние — это результат действия или действий, но не само действие, поэтому любое действие или воздействие в принципе не может быть параметром состояния.

Таким образом, давление не может быть и не является параметром состояния. Однако эта величина входит в множество определений и формул и как бы выполняет роль параметра состояния. Но так же как нельзя «пощупать» энергию, а можно только оценить ее наличие и величину по результатам проявления, например, работе, так же нельзя «увидеть» параметр состояния, который проявляется в виде давления. Параметром, как бы сопряженным с давлением и имеющим с ним одинаковую размерность, является плотность энергии (объемная плотность энергии), то есть энергия, содержащаяся в единице объема. Следовательно, произошла подмена понятий. Фактически параметром состояния является плотность энергии, а давление — это проявление объемной энергии при наличии «стенок»: тел, площадок, поверхностей.

В развитие темы рассмотрим атмосферное давление. Во всех энциклопедиях, справочниках, учебниках и иной литературе говорится именно об атмосферном давлении как давлении столба воздуха на поверхность Земли и расположенные на ней предметы. Одновременно упоминается о том, что с удалением от земной поверхности вышележащий столб воздуха уменьшается и давление «убывает по закону, близкому к экспоненциальному» [2, с. 133]. Но если давление на поверхность Земли рассматривать можно, то говорить о давлении на высоте некорректно, поскольку давить там в общем случае не на что. Таким образом, Земля обладает атмосферой, то есть совокупностью газов, которая под воздействием земного гравитационного поля, убывающего с высотой, распределилась соответствующим образом и обладает на каждой высоте определенной величиной объемной энергии. Говорить же о давлении в отсутствие объектов, на которые можно давить, бессмысленно.

Еще одна тема, связанная с давлением, — так называемый гидростатический парадокс, заключающийся в том, что «вес жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от давления жидкости на дно сосуда. Так, в расширяющихся кверху сосудах сила давления на дно меньше веса жидкости, а в суживающихся — больше. В цилиндрическом сосуде обе силы одинаковы. Если одна и та же жидкость налита до одной и той же высоты в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, то, несмотря на различный вес налитой жидкости, сила давления на дно одинакова для всех сосудов и равна весу жидкости в цилиндрическом сосуде. Таким образом, давление покоящейся жидкости зависит только от глубины под свободной поверхностью и от плотности жидкости. На сегодня гидростатический парадокс объясняется тем, что, «поскольку гидростатическое давление всегда нормально к стенкам сосуда, сила давления на наклоненные стенки имеет вертикальную составляющую, которая компенсирует вес излишнего против цилиндра объема жидкости в расширяющемся кверху сосуде и вес недостающего против цилиндра объема жидкости в суживающемся кверху сосуде» [2, с. 471]. Данное выше объяснение «парадокса» представляется несколько странным. Если для сосудов, сужающихся книзу, в которых часть силы давления жидкости передается стенкам, сказанное вполне разумно, то для сужающихся кверху, где для создания достаточной силы уже стенки должны давить на жидкость, выглядит не совсем корректно. В данном случае логично рассматривать не вес жидкости и давление, а объемную плотность энергии. Объемная энергия, фактически анализируемая в парадоксе, как и в случае с атмосферой определяется высотой «столба», поэтому для одинаковых по плотности жидкостей, имеющих одинаковую величину «столба» и находящихся в одном месте (точнее в одинаковом по величине гравитационном поле) величина объемной плотности энергии одинакова.

Сказанное выше не просто терминологический анализ, академические рассуждения на тему науки, оно имеет вполне определенный как понятийный, так и прагматический смысл. Некорректно расширенное использования понятия давление подчеркивает общую тенденцию недооценки роли объемной энергии и объемных величин в макрофизике, в целом принижения роли объемных величин, то есть величин, отнесенных к единице объема. Так, при расчетах и анализе в термодинамике обычно используются энергетические, иногда называемые «калорическими», величины массовые или мольные, т. е. отнесенные к единице массы или молю вещества. Это энтальпия, теплоемкость, энергия Гиббса и др., включая относимую к энергетическим величинам энтропию. Таким образом, традиционно применяются разные относительные единицы, но очень редко объемные. Казалось бы, какая разница? Однако объемные величины естественные,обусловленные параметром состояния вещества — объемной энергией. Многоплановое исследование вопроса одним из авторов настоящей работы показало, что использование массовых (весовых) и молярных величин в целом некорректно отражает зависимости и даже может приводить к заблуждениям, например, при оценке избыточных объемов смешения в твердых растворах [7, с. 41-42]. Следовательно, единственно разумным является использование объемных величин, то есть сопоставление и анализ величин, отнесенных к единице объема [7, с. 48]. Интересное дополнение: в соответствии с периодическим законом Д.И. Менделеева свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов. Однако анализ термодинамических свойств веществ — теплоемкости, энтальпии, изобарного потенциала, энтропии показал, что «периодического изменения атомных термодинамических констант в соответствии с законом Д.И. Менделеева нет. Не подчиняется периодическому закону и изменение удельных термодинамических констант» [7, с. 8], при этом «взаимосвязи, взаимозависимости и взаимообусловленности строения и термических свойств твердых неорганических веществ имеются только с содержанием атомов (г-атомов) или молекул (молей) в единице объема» [7, с. 21]. Поскольку сомневаться в справедливости периодического закона Д.И. Менделеева нет оснований, также как предполагать исключительность термодинамических свойств, следует считать, что только объемные термические свойства имеют право именоваться свойствами [7, с. 21].

Говоря о термодинамике, имеет смысл заострить внимание на термодинамике газов. Не концентрируя внимание на частных законах идеальных газов Гей-Люссака, Шарля и Бойля-Мариотта, рассмотрим обобщенное уравнение Клапейрона-Менделеева:

PV = RT (1)

где P — давление, V — объем, R — универсальная газовая постоянная, T — температура.

Смысл уравнения (1) как бы зашифрован, даже завораживающе мистичен. Действительно, что может быть общего, даже тождественного у произведения давления газа на его объем с температурой, умноженной на некий коэффициент? Однако понимание того факта, что фактически параметром состояния идеального газа является не давление, а объемная энергия, позволяет выразить уравнение в несколько ином виде:

QV = RT (2)

где Q — объемная энергия.

Поскольку Q = E/V, где E — энергия газа, то смысл левой части уравнения предельно ясен — это энергия. Следовательно и правая часть уравнения есть энергия и, поскольку R — не более чем коэффициент, это означает, что температура также является энергией. Уравнение Клапейрона-Менделеева, таким образом, отражает факт: энергия равна энергии.

Таким образом, широкое использование в макрофизике плотности энергии и в целом объемных величин правомерно, целесообразно и методологически даже необходимо для теории и практики физической науки, поскольку их применение дает более адекватный подход к анализу физических явлений и процессов.


Библиографический список
  1. Планк М. Избр. труды. М.: Наука, 1975.
  2. Физическая энциклопедия. В 5 тт. М.: Советская энциклопедия. Т. 1. 1988.
  3. Политехнический словарь. Большой энциклопедический словарь. М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2000.
  4. Новая философская энциклопедия. В 4 тт. М.: Мысль. Т. 3. 2001.
  5. Волкова В.Н., Денисов А.А. Теория систем: Учеб. пособие. — М.: Высш. шк., 2006.
  6. Физическая энциклопедия. В 5 тт. М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». Т. 4. 1994.
  7. Кобзарь П.Н. Изучение взаимозависимостей состава, стороения и свойств твердых неорганических веществ (Методические рекомендации). Алма-Ата: Изд. КазИМСа, 1974.


Все статьи автора «Кобзарь Константин Павлович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: