|
|
Страница 71 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаИсторически, как отмечалось выше, сначала был известен только один вид энергии – механическая энергия. В результате известных работ Ю. Майера, выполненных в 1841-1845 г.г., и Д. Джоуля (1843 г.) было установлено превращение механической работы в тепло. Этим закон сохранения механической энергии расширил свои рамки. Была создана циклическая паровая машина, к которой подводилось тепло и получалась механическая работа. В виде универсальной паровой машины она была завершена Дж. Уаттом в 1784 г. С. Карно в 1824 г. ещё на основе теории флогистона (теплорода), но интуитивно с двумя разными французскими терминами chaleur – тепло и calorique – теплород, доказал [108], что к.п.д. тепловой машины не зависит от вида рабочего тела. Через десять лет Б. Клапейрон обнаружил не замеченную работу Карно и вернул её к жизни. В. Томсон (лорд Кельвин) и У. Ранкин около 1850 г. ввели термин – энергия. Р. Клаузиус в 1876 г. создал механическую теорию тепла, упоминаемую прямо или косвенно всеми, но понятую далеко не всеми даже в наши дни. Он ввёл в ней термин: энтропия – способность к превращениям. Утвердился новый закон природы – второе начало термодинамики. Появились изобретатели новых вечных двигателей с тем же непониманием свойств функций состояния, но в другой форме – получить из тепла работу без использования разности температур. Кстати, обратите внимание на хронологию в приведенном выше списке. Открытия во времени в этой области проходили, отнюдь, не той строгой логической цепочкой, как они кажутся из современности. Но важно не это, а итог истории. Существует переменная – количество тепла Q и его приращение Q. Количество тепла не есть функция состояния системы. Приращение количества тепла не есть полный дифференциал. С помощью интегрирующего множителя по формуле (1.2) можно образовать переменную – энтропию, которая есть функция состояния системы. Тогда произведение S есть функция состояния системы – тепловая энергия. В её составе интенсивная переменная – температура (аналог силы) и экстенсивная переменная – энтропия S как мера неопределённости (аналог количества). Как подчёркивалось в главе I, энтропия S по её определению есть мера системы в фазовом пространстве. Она задана приближённо в шестимерном или строго 6N-мерном фазовом пространстве. Поэтому отличие энтропии S как экстенсивной переменной от, например, объёма V менее значительно, чем обычно многим кажется. Интенсивная переменная термодинамической задачи – сила – есть производная от энергии по экстенсивной переменной. Например, как обычно в термодинамике, её можно выразить с помощью полной энергии U и объёма V как экстенсивной переменной в виде: . (6.3) Давление как выражение силы вполне наглядно. Энтропия так же есть экстенсивная переменная и поэтому справедливо определение: . (6.4) Температура в роли силы непонятна и соотношение (6.4) принимается как факт, избегая пояснений. Они нетривиально даны в [11], [12]. Используемые в термодинамике частные производные и индексы постоянства других переменных – это есть реализация описания изменений переменных в потенциальных полях “ступеньками”. Единица энергии (как эквивалент размерности) есть Джоуль [кгм2/c2]. При строгом определении энтропии (1.1) единица адиабатического инварианта (в том же смысле размерностей) есть [Джоульсекунда]. Отсюда размерность температуры согласно (6.4) есть [обратное время] (пояснения в [11] и в [12]). Температура как эквивалент силы определена однородно с давлением как силой – в виде производной полной энергии по экстенсивной переменной. Определение тепловой энергии в виде произведения S однородно с определением, например, механической энергии как произведение давления (силы) на экстенсивную переменную в виде PV. Но за внешним подобием скрывается принципиальная разница – в определении энтропии как сомножителя в составе тепловой энергии существенно участвует фазовое пространство. Для тепловых процессов существует “работа” – тепло Q (которое не есть функция состояния) и тепловая энергия S (функция состояния). Обе переменные имеют одинаковую размерность и одинаковую единицу измерения. В строгом виде она есть Джоуль. Однако существует другая общепринятая единица энергии и тепла в виде калории, которая есть эмпирическая единица для описания тепловых процессов (находящаяся вне общей системы размерностей физики). Между теплом и тепловой энергией существуют те же принципиальные отличия, которые были подробно пояснены выше в связи с работой и энергией. К сожалению, необходимость подчеркнуть в учебниках тот факт, что количество тепла не есть и не может быть энергией, привела к запрету на термин “тепловая энергия” даже в тех случаях, когда он соответствует аксиоматике термодинамики и необходим. Это неправильно, создаёт путаницу и стойкое непонимание многих элементарных, но важных особенностей тепловых процессов. Идеализацию циклического преобразования тепла в механическую работу описывает цикл Карно, который изображён на рис. 6.3 в координатах: энтропия S температура
Плоскость на рис. 6.3 есть плоскость энергии. Работа, которая максимально может быть получена в циклическом процессе, изображается в этой плоскости разностью площадей прямоугольников II и I. Коэффициент полезного действия при производстве работы из тепла есть отношение этой разности площадей к площади прямоугольника II. Для цикла Карно оно равно: , (6.5) где в нумерации индексов надо помнить о равенствах, вытекающих из рис. 6.2. Обычно в связи с тепловыми машинами подчёркивают невозможность в земных условиях получить к.п.д. цикла Карно точно = 1, так как на Земле не встречается абсолютный нуль температуры (как минимальная температура для практических применений цикла Карно). Главный результат С. Карно [108] в том, что к.п.д. цикла Карно не зависит от вида рабочего тела. Это общеизвестное утверждение нуждается в важных пояснениях. Циклический процесс может быть осуществлён на основе любых форм энергии (но не менее двух). Его результатом, в частности, может быть механическая работа. Например, магнитострикционный преобразователь как циклическая термодинамическая машина [109], [110] использует магнитную и механическую энергию. Он производит механическую работу за счёт изменения магнитной энергии рабочего тела, каковым является его ферромагнитный сердечник. С хорошей точностью материал сердечника как рабочее тело может быть описан уравнениями состояния, например, вида:
, где В – индукция магнитного поля, H – его напряженность, заданная током в катушке, намотанной на сердечник (рабочее тело), механические напряжения есть силы, отнесенные к единице его площади, m – относительные удлинения, а величина есть постоянная магнитострикции – эмпирическая константа в виде относительного удлинения (имеющая для ферромагнетиков порядок от 10-7 до 10-3). Она характеризует связь механической и магнитной энергии в рабочем теле. К.п.д. преобразования магнитной энергии (запасаемой за счёт работы тока в катушке) в механическую работу в магнитострикционном преобразователе самым существенным образом зависит от вида рабочего тела и конкретных деталей уравнений состояния (6.6). Если рабочее тело не есть ферромагнетик, то к.п.д. магнитострикционного цикла равен нулю. В ферромагнетиках как рабочем теле для таких циклов заведомо невыгоден прямоугольник как траектория цикла в плоскости магнитной энергии. Причина заключена в свойствах ферромагнетиков (их уравнениях состояния) как рабочего тела цикла. Аналогичная зависимость результатов термодинамического цикла от вида рабочего тела справедлива для циклов, в которых работа производится за счёт химической энергии. Только для преобразований тепла в работу, только для цикла Карно результат не зависит от вида рабочего тела. Полезная механическая работа в цикле Карно выражается в виде: . (6.7) Вторая форма энергии в цикле преобразования тепла в работу не обязательно механическая. Например, она может быть электрической или магнитной. Важно, что вторая форма энергии существует, а потому с её участием функции состояния могут изменяться так, что работа есть площадь, ограниченная путями циклического процесса. Но к.п.д. таких циклов (не механических по второй форме энергии) при той же разности температур так же не может превысить к.п.д. цикла Карно. С учётом этого и конкретного выражения (6.7) утверждение Карно о независимости преобразования тепла в работу от вида рабочего тела состоит в том, что непосредственно в работу преобразуется изменение информации о движении молекул рабочего тела (газа или пара) – именно она есть та единственная характеристика, которая не зависит от вида вещества, образующего газ или пар. Рабочее тело в цикле Карно есть информация как физическая переменная [3], [11]. Надо отметить, что “вечные двигатели” сегодя достаточно одиозны. Им на смену пришёл бред об “энергоинформационном обмене”. Однако взаимные преобразования энергии и информации как физической переменной существуют реально – они есть цикл Карно. Он работает в паровых и газовых турбинах, в бензиновых и дизельных двигателях, в природных процессах. К многозначительной мистической болтовне реальный энергоинформационный обмен отношения не имеет. Цикл Карно описывает превращение тепла в механическую работу в устройствах, рабочим телом которых является информация. Понятие цикла требует возврата системы в исходное состояние. Цикл поэтому реализуем в переменных, описывающих энергию. Однако в процессе этого превращения тепловая машина потребляет и отдаёт не тепловую энергию (функцию состояния), а тепло, которое энергией не является (не есть функция состояния). Поток тепла проходит сквозь тепловую машину. В результате сопровождающих это изменений энергии возникает механическая работа. Кстати, не мало научных работников искренне убеждены, что информация есть нематериальная переменная. Это заблуждение, хотя и привычное. Информация как физическая переменная материальна в той же мере, как любая термодинамическая переменная. Включая свет в комнате, нажимая на педаль газа в автомобиле, пользуясь холодильником вы используете взаимные превращения энергии и информации. Вопроса о нематериальности энергии (как противопоставления частице) сегодня уже нет. В той же мере нет и предмета для споров о материальности энтропии-информации как физической переменной. В связи с циклом Карно В. Оствальдом был сформулирован принцип невозможности вечного двигателя второго рода, то есть двигателя, производящего за счёт тепла механическую работу без использования разности температур. Предыдущие объяснения показывают, что в том смысле, как это сделал Оствальд, разделять вечные двигатели на два рода причин нет. В циклическом процессе по его определению обязательно участвуют изменения энергии по разным путям. В силу определения энергии как функции состояния термодинамический цикл может стать источником работы только при участии в нём не менее двух форм энергии с перекрестно разными значениями переменных форм энергии, отличающих прямые и обратные процессы в составе цикла. Любая переменная в циклическом процессе возвращается к одним и тем же значениям. Но ни одна из них не может оставаться постоянной на протяжении всего цикла. Тепловая энергия в этом не есть исключение. Разность температур в цикле Карно столь же необходима для получения работы, как и разность сопряжённых определяющих переменных, если цикл использует любые пары нетепловых форм энергии. Энтропия S есть физическая переменная – мера информации. С такой точки зрения преобразование тепла в работу (и его обращение в виде циклов холодильников) уникально отличается от циклов с переменными, описывающими поля, перечисленные в начале параграфа – рабочим телом прямого и обратного цикла Карно является информация как физическая переменная. Кроме того, такие переменные термодинамики как P, V, Е, D, B, H определены в трёхмерном пространстве, а энтропия определена с участием 6N-мерного фазового пространства. Это же относится к химической энергии. Переменные термодинамики однородны по их вкладу в полную энергию системы. Они существуют и действуют одновременно. Однако в иерархии синтеза информации об окружающей нас природе они относятся к её разным ступеням. Например, происхождение химического потенциала и химической энергии относится к уровню иерархии энтропии-информации, который определил возникновение атомов химических элементов и их составляющих. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|