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.

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»