Введение

Наш мир един, в нем все взаимосвязано и взаимообусловлено, от кварков и лептонов до Метагалактики. Трудно, однако, мысленно охватить всё мироздание, поэтому человеческая наука разбита на множество конкретных наук, в числе которых физика и химия, история и география, математика и искусствоведение. Каждая выделившаяся наука обладает своим научным языком, то есть системой знаков, параметров и правилами оперирования с ними [1, с. 120], при этом каждый язык создается для адекватного отображения изучаемых объектов природного или искусственного происхождения. С учетом иерархичности мира языки науки могут быть многоуровневыми, соответственно, один и тот же параметр может менять свою размерность. Например, в размерной шкале для измерения атомов удобен ангстрем, а для изучения объектов на космических расстояниях парсек, энергию в микромире удобно измерять в электрон-вольтах, а на макроуровне в джоулях. При этом на разных иерархических уровнях могут меняться не только единицы, но и параметры, характеризующие свойства и состояния вещества.

Состав вещества

Триада состав — строение (структура) — свойства находится в основе всех наук. В системном аспекте это означает, что на разных иерархических уровнях имеются свои характеристики этих составляющих. Выделение этих уровней нередко неоднозначно, но они всегда существуют. В науках естественных и технических состав и свойства вещества на разных уровнях играют принципиальную роль. Однако именно здесь, где точность понимания имеет особое значение, эти грани бывают стерты. При восприятии и анализе объектов макроуровня микроуровень может оказывать существенное влияние, тем не менее любой объект определяется доминирующим образом его собственными характеристиками. Физикой и другими науками изучается огромный диапазон объектов и их взаимодействий, которые можно отнести к разным иерархическим вещественно-энергетическим уровням, в качестве которых можно выделить уровень элементарных частиц, атомно-молекулярный микроуровень, макроуровень и “астрономический” Мегауровень.

Обратим особое внимание на наиболее изученные микро- и макроуровень вещества. Микроуровень характеризуется атомами и молекулами, взаимодействие между которыми осуществляется с помощью электронов (объект химии) или обменом энергией (объект атомной и молекулярной физики). Макроуровень, хоть это и звучит тавтологически, включает объекты макроскопических размеров. Состав вещества на микроуровне, называемый химическим составом, характеризует относительное количество атомов в молекулах или соединениях элементов. Минеральный состав отражает как химический состав вещества, так и определенную его структурную организацию, но опять же в большей степени на микроуровне. Поскольку химический состав прекрасно характеризует вещества и динамику процессов их взаимодействий и взаимопревращений на микроуровне, это обусловливает желание распространить указанное понятие на описание объектов и процессов на макроуровне, что, естественно, неправомерно, поскольку состав и свойства всегда должны находяться в неразрывной связи. Представим, какой странной и не совсем адекватной стала бы химия, если бы вещества и их взаимодействия оценивались, например, по соотношению и взаимодействию кварков. Очень часто при упоминании состава подразумевается именно химический состав. Некорректность его использования по отношению к макрообъектам хорошо иллюстрируется сопоставлением полиморфных веществ, имеющих одинаковый химический состав, но существенно различающиеся свойства [2, с. 16]. Для примера достаточно рассмотреть аллотропные модификации веществ с химическим составом — углерод. Это алмаз, графит, графен, фуллерит, у которых механические, электрические, оптические, термодинамические свойства различаются кардинально.

Кроме химического на макроуровне используются разные способы отражения состава вещества с соответствующими единицами: это мольные, массовые, объемные величины, т. е. отнесенные, соответственно, к единице вещества, единице массы или единице объема. Отражение состава в мольных величинах отличается от химического состава чисто формально введением условного постоянного коэффициента, равного числу Авогадро, и в полной мере характеризует химический, то есть микросостав вещества. Присвоение этому числу статуса основной единицы в системе СИ, как и назначенное на 2018 год количественное определение, отвязанное от массы, никак не меняет понятийный смысл и не добавляет значимости этой псевдомакровеличине. Понятно, что мольные величины используются прежде всего в химии. Массовые величины, т. е. отнесенные к единице массы, очень удобны при проведении и анализе многих технологических процессов, в которых важно соотношение компонентов. Это обусловлено прагматическими причинами, поскольку в настоящее время определения массы, точнее веса веществ, хорошо отработано и имеет высокую точность. Эти величины обычно используются для анализа жидких и твердых растворов, но не анализа газов. Массовые величины, как и мольные, в определенной степени отражают состав вещества, если оно находится в однородном сплошном состоянии: жидкость, сплошное тело. Эти виды состава никак не отражают структуру вещества на макроуровне, поэтому в реальных условиях, например, для сыпучих или имеющих пористость веществ их использование может приводить к неоднозначным результатам. Это относится к изучению природных и многих производственно-технических процессов.

Наиболее адекватному отображению свойств вещества и происходящих процессов на макроуровне в большинстве систем удовлетворяет использование единиц, отнесенных к единице объема, таких как плотность, объемная плотность энергии. Во-первых, они без сомнений отображают макроуровень вещества, во-вторых, позволяют совокупно анализировать вещества, находящиеся в разных агрегатных состояниях, и соответствующие процессы. Кроме того, как показано на примере термодинамических величин, только величины, отнесенные к единице объема, в отличие от молярных и массовых изменяются периодически, то есть удовлетворяют требованию периодического закона Менделеева [2, с. 21]. Поскольку в современной науке закон Д. И. Менделеева сомнению не подвергается, это служит свидетельством правомерности использования объемных величин. Соответственно, для отражения состава на макроуровне целесообразно использование единицы моль/м³, которую в отличие от химического состава можно назвать макросостав.

Феноменологическая термодинамика — один из наиболее разработанных и логично построенных разделов современной физики, характеризующийся стройностью теории, красотой уравнений, глубиной выводов, являющихся результатом работы огромного труда выдающихся ученых. Обращаться к основам термодинамики в XXI веке представляется странным и не совсем актуальным, однако совокупность специфических понятий и терминов, а также некая таинственность, даже мистичность положений и законов термодинамики позволяют предположить, что в понятийном плане термодинамики нуждается в уточнении. “Термодинамику легко упоминать, трудно понять, невозможно применить” [3, с. 120]. Это высказывание Д. М. Шоу в вызывающей форме как бы призывает обратить внимание на базовые основы термодинамики.

Термодинамические процессы в настоящее время изучают две основные науки: термодинамика и статистическая физика. Несмотря на общий объект исследования они используют принципиально разные подходы и методы, что само по себе неплохо. Однако при этом и исследования, и результаты этих исследований как бы существуют достаточно независимо и не очень состыкуются друг с другом. С одной стороны, это представляется странным, с другой — едва ли способствует пониманию процессов. Стоит подчеркнуть, что задача науки давать всё более полное описание и понимание природных явлений и процессов, при этом вторая задача — упрощать это описание и понимание. Две перечисленные задачи характеризуют определенную последовательность, скорее даже чередование соответствующих этапов в развитии каждой науки. Судя по всему, в термодинамике существует необходимость внимания ко второй задаче.

Температура как энергия

Одна из важнейших термодинамических величин — температура. С одной стороны, очевидно, что температура — энергетическая величина. С другой стороны, температура имеет особенности, отличающие ее от энергии вообще, что дает возможность рассматривать ее как самостоятельную независимую величину. Налицо, следовательно, противоречие: температура — это энергия, температура — это не энергия. Логичное разрешение этого противоречия заключается в том, что температура — это энергия, но энергия специфическая.

В работе А. К. Кикоина и И. К. Кикоина сказано, что “…величина, давно известная под названием температуры, в действительности представляет собой среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул… При таком определении температуры она, очевидно, должна измеряться в единицах энергии (в системе СИ — в джоулях, в системе единиц СГС — в эргах). Однако практически пользоваться такой единицей температуры неудобно. Даже такая малая единица температуры, как эрг, слишком велика, чтобы служить единицей измерения температуры. При пользовании ею обычно встречающиеся температуры выражались бы ничтожно малыми числами… По этой причине, а также потому, что величиной температуры пользовались еще задолго до того, как были развиты молекулярно-кинетические представления, разъяснившие истинный смысл температуры, ее все-таки измеряют в старых единицах — градусах, несмотря на условность этой единицы” [4, с. 29-30]. Таким образом, температура отражает среднюю кинетическую энергию линейного движения микрочастицы в ансамбле микрочастиц. При этом следует подчеркнуть определенную двойственность температуры. С одной стороны, это энергия единичной микрочастицы, которой может быть атом, молекула, электрон, то есть она характеризует микроуровень вещества. С другой стороны, эта энергия является усредненной в системе взаимодействующих частиц, и в этом смысле несет черты макрохарактеристики, что, правда, не меняет ее суть. При этом температура безусловно является энергией и должна измеряться в единицах энергии.

Необходимо подчеркнуть, что температура характеризует не любую, а вполне определенную энергию, а именно энергию независимого, свободного движения микрочастиц. При таком понимании снимаются ограничения, которые “не позволяют” температуре полноценно считаться энергией. Понятно, что если часть “несвободных” движений велика или даже преобладает, это создает впечатление несоответствия температуры энергии. Так, при приближении к абсолютному температурному нулю “свободное” кинетическое движение асимптотически уменьшается, при этом возрастает роль несвободных квантовых колебаний с температурой никак не связанных.

Если вещество представлено совокупностями различающихся частиц, то они могут иметь разные температуры. Например, в плазме ионы и электроны слабо обмениваются энергией между собой и могут иметь разные температуры. Однако сущность температуры от этого не меняется. Рассмотрение температуры как энергии микрочастиц обычно подразумевает движение частиц в трехмерном пространстве. Поскольку свободные движения микрочастиц в двухмерной и в одномерной средах существенно ограничены, это обусловливает отличие происходящих в них процессов и их описания. В качестве примеров двух- и одномерных сред можно рассматривать движения соответственно в тонкой пленке и ускорителе элементарных частиц. Следовательно, имеет смысл говорить о двухмерной или одномерной температурах, которые, естественно, к трехмерной напрямую не сводимы.

Температура характеризует энергию не всех, а только поступательных движений микрочастиц. Это обусловливает ее важность, поскольку именно эти движения обеспечивают взаимообмен кинетической энергией на микроуровне, что принципиально отличает ее, например, от энергии вращательных движений. Поэтому равенство температур двух систем означает равенство средних кинетических энергий линейных движений микрочастиц в этих системах.

Отдельно следует заострить внимание на современном расширительном понимании температуры. Для изучения процессов при низких ее значениях температура дополняется коэффициентом, позволяющим одновременно рассматривать и явления, связанные с квантовыми процессами. В практическом плане такие действия могут быть вполне оправданны, но не в теоретическом. Температура — это вполне определенный вид энергии и как вид он не может меняться в зависимости от каких-то условий. Например, трудно предположить, что в определенных условиях потенциальную энергию следует считать кинетической (разве что потенциально!). Другими словами, можно совместно использовать температуру с другими видами и типами энергии, но при этом всегда понимать ее отдельность, то есть определенную исключительность, специфичность. При существенном проявлении квантовых явлений применяется термин вырождение температуры. Термин удачный, он показывает, что температура при низких ее значениях вырождается, то есть перестает существовать, а ее место занимает совсем другая величина, обусловленная квантовыми свойствами вещества.

Термодинамические величины, константы, законы

В кинетической теории газов основным можно считать уравнение

pV = 2/3W,

где p — давление, V — объем, W — суммарная кинетическая энергия поступательного движения молекул газа, находящихся в объеме V. Так как W/V — это объемная плотность кинетической энергии — Ω, следовательно,

Ω = 3/2p

Ключевым для термодинамики является уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона, которое для произвольного объема имеет вид:

pV = RT,

где Т — абсолютная температура, R — так называемая универсальная газовая постоянная, при этом

R = kN_А,

где N_А — число Авогадро, k — постоянная Больцмана.

Давление p считается одной из важнейших величин в макрофизике. Согласно современным представлениям, “давление, так же как плотность и температура, представляет собой основной макроскопический параметр состояния жидкости и газа” [5, с. 547]. Интересно, что в этом заявлении из трех указанных величин сказанное можно безусловно отнести только к плотности. Что касается температуры, то ее макроскопичность, как было показано выше, достаточно условна. Понятие давление также требует рассмотрения. Обобщая общую и частные формулировки этого термина [5, с. 547, 553], можно резюмировать, что давление — величина, характеризующая определенное воздействие на площадку, препятствие или тела. Следовательно, считать давление параметром состояния некорректно. Параметром состояния является объемная плотность энергииΩ, которая существует безотносительно к объектам воздействия, но при наличии препятствия, “стенки” может проявляться в форме давления [6, с 22]. Тот факт, что давление проще измерять, чем объемную плотность энергии, никак не меняет сущности этих величин. Понятно, что произведение объемной плотности энергии на объем — это энергия W, сосредоточенная в этом объеме.

Так как для идеальных газов Ω = 3/2р, тоуравнение Менделеева-Клапейрона можно выразить в форме:

ΩV = 3/2RT

или проще:

W = 3/2RT

Из этого уравнения следует, что “универсальная газовая постоянная” — это число Авогадро, несколько “замусоренное” дополнительными размерностями. В свою очередь, уравнение состояния идеального газа — это тавтология, поскольку очевидно, что произведение количества частиц в определенном объеме на их среднюю энергию – это общая энергия частиц в этом объеме, так же как и произведение объемной плотности энергии на данный объем. В свете сказанного понятно, что формулировки ряда законов и уравнений термодинамики должны быть скорректированы. Например, законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля как частные случаи уравнения состояния идеального газа также не несут новой информации.

К сказанному следует добавить, что понятие температуры, вытекающее из закона Менделеева-Клапейрона, никак не ограничивается идеальным газом, поскольку сущность температуры как определенного вида энергии не меняется, например, при изменении агрегатного состояния вещества. То естьпредставление о температуре как кинетической энергии применимо не только к газам, но и к веществам в жидком и твердом состояниях [4, с. 30]. Следовательно, Кельвин должен стать внесистемной единицей, а “фундаментальная константа” постоянная Больцмана k автоматически теряет свой статус, поскольку является простым коэффициентом пересчета двух единиц энергии: Кельвина и Джоуля в полной аналогии с коэффициентом перевода калории в Джоуль. Настала, думается, пора завершить эпоху “теплорода XXI века” — температуры.

Некоторые термодинамические величины

Энтропия. На сегодня в науке имеются две “главных” энтропии: термодинамическая и информационная, имеющие разный смысл и, соответственно, разные размерности. Предложенная Р. Клаузисом термодинамическая энтропия служит “для определения меры необратимого рассеяния энергии [7, с. 616], а энтропия в теории информации “принимается в качестве меры неопределенности состояния объекта и меры недостатка информации о некоторой физической системе” [8, с. 690] или является “мерой неопределенности сообщений” [7, с. 617]. Информационная энтропия безразмерна, в то время как термодинамическая имеет размерность Дж/К. В ряде работ энтропия, как и ряд других величин, имеющих в размерности единицу калория, до сих пор называется величиной “калорической”, чем подчеркивается ее термическо-термодинамическая сущность. Не заостряя внимание на явной несуразности такого наименования (по аналогии, например, плотность следует называть величиной “килограммической” или даже “тоннической”), обратим внимание на сущность вопроса. В свете сказанного выше термодинамическая энтропия имеет размерность Дж/Дж, т. е. является безразмерной. Она, следовательно, несмотря на свое термодинамическое происхождение, имеет исключительно информационный смысл и, таким образом, полностью совпадает с информационной. Это означает, что энтропия всегда и везде имеет информационный смысл и измеряется в битах, байтах, Терабайтах и т. п. величинах, при этом “термодинамическая” энтропия отражает информационные свойства ансамбля микрочастиц. К счастью в термодинамике часто используется выражение ТS, фактически являющееся WS и действительно характеризующее величину необратимой диссипации энергии в системе.

Теплоемкость. Определения теплоемкости несколько различаются, при этом непонимание физического смысла термина нередко приводит к неточности формулировок. Например, определение, приведенное в солидном справочном издании: “Теплоёмкость – количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус (1⁰С или 1 К); точнее отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению” [7, с. 77]. В приведенном определении смещены акценты, поэтому несколько нарушены причинно-следственные связи. Теплоемкость — это не “количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус”, а количество теплоты, необходимое для нагревания тела на 1 градус. С другой стороны, с учетом сказанного о смысле температуры теплоемкость, с размерностью Дж/Дж, фактически безразмерна. При этом нагляднее оперировать с величиной, обратной теплоемкости, т. е. 1/С. Эта величина характеризует относительное количество тепловой энергии, перешедшее в кинетическую энергию микрочастиц, которое, естественно, по величине не может превысить единицу. Понятно, что в изотермическом процессе, в котором не происходит переход тепловой энергии в энергию движения микрочастиц, величина 1/С равна нулю.

Таким образом, величину 1/С можно считать своеобразным “коэффициентом полезного действия” — КПД термодинамических процессов. Расширенное представление о коэффициенте 1/С позволяет понимать под ним перевод в кинетическую энергию микрочастиц не только тепловой, но и любой другой энергии, например, электромагнитной, что может существенно упростить и увеличить возможности описания и использования электро-магнитно-термодинамических процессов. Для идеальных газов, если оперировать с величиной объемной плотности энергии, а не давлением, получается, что равномерное распределение энергии по степеням свободы определяется не эмпирической R/2, а вполне понятными величинами. Для одноатомного газа, у которого 3 степени свободы, на каждую степень приходится, естественно, 1/3 поступившей энергии, что в сумме составляет 3/3 или 100%. Поскольку число “линейно кинетических” степеней свободы постоянно и равно 3, а общее число степеней свободы у двухатомных и многоатомных газов, составляет, соответственно, 5 и 6, то “коэффициент полезного действия” у них имеет значения 3/5 и 3/6. Для неидеальных газов в связи с рассеянием энергии этот коэффициент будет иметь еще меньшую величину. Таким образом, величина, обратная теплоемкости — коэффициент 1/С — это относительное количество кинетической энергии линейного движения микрочастиц в веществе. Теплоемкости веществ при низких и сверхнизких температурах, по современным представлениям составляющие малые величины и изменяющиеся в соответствии с теориями Эйнштейна и Дебая, определяются, как уже говорилось, некорректным сочетанием температуры с иными энергетическими величинами. Поэтому величины 1/C, то есть КПД процесса, стремящиеся к бесконечности, следует считать не столько вычислительным, сколько понятийным абсурдом.

Энтальпия. Энтальпия H обычно выражается уравнением:

H = U + pV,

где U — внутренняя энергия.

В рассматриваемом в настоящей работе контексте ситуация с энтальпией несколько запутана. С одной стороны, как уже говорилось, давление не является параметром состояния и вместо него должна использоваться объемная энергия. С другой стороны, внутренняя энергия по определению включает всю микроэнергию системы. Следовательно, энтальпия характеризует новую величину внутренней энергии системы и, следовательно, этот термин является излишним. Фактически приведенное уравнение должно иметь вид:

U₂ = U₁ + ΩV

где U₁ и U₂ соответственно начальная и конечная величины внутренней энергии в описываемом процессе. Конечно, большое практическое значение изобарических (изообъемноэнергетических) процессов в определенной мере оправдывает самостоятельно название этой величины, однако ее смысл понимать следует.

Заключение

Рассмотрение в настоящей работе некоторых вопросов науки в понятийно-методологическом аспекте позволяет уточнить понимание, а также возможность и целесообразность применения некоторых широко используемых величин и единиц измерения. Многое из сказанного в принципе известно и натыкается скорее не на непонимание, а на нежелание понять и признать очевидное. Необходимость использования на макроуровне самостоятельной величины, характеризующей состав вещества, отличной от химического состава, с предлагаемым названием макросостав соответствует не только практическим целям, но и общефилософским представлениям. Понятийный анализ термодинамики в полном соответствии с принципом бритвы Оккамы позволяет дать направление на упрощение ее величин и законов без привнесенных искусственных, не присущих ей понятий, обеспечить понимание. Есть надежда, что рассмотренные представления помогут как в развитии самой термодинамики, так и в ее преподавании. “Температурный теплород” вместе с сопутствующими понятиями и представлениями пора вынести из здания науки.

1. Кобзарь К.П. О науке как моделировании, взаимодействии наук, системном подходе и научных языках // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4. Ч. 4. С. 118-124.
2. Кобзарь П.Н. Изучение взаимозависимостей состава, строения и свойств твердых неорганических веществ. Алма-Ата: Изд. КазИМСа. 1974. – 74 с.
3. Шоу Д.М. Геохимия микроэлементов кристаллических пород. Л-д: Недра. 1969. – 296 с.
4. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры. 1976. – 480 с.
5. Физическая энциклопедия. В 5 тт. М.: Советская энциклопедия. Т. 1. 1988. – 704 с.
6. Кобзарь П.Н, Кобзарь К.П. // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 8. Ч. 1. С. 21-24.
7. Физическая энциклопедия. В 5 тт. М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 5. 1998. – 760 с.
8. Кондаков Н.И. Логический словарь-справочник. М.: Наука. 1975. – 720 с.

Все статьи автора «Кобзарь Константин Павлович»