Теплота или энергия

Теплота или энергия?

Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов, а применение к ним обычного аппарата математического анализа позволяет получить и обосновать разные состояния биологических объектов.

В науке, технике, в своей практической деятельности мы имеем дело с разнообразными свойствами окружающих нас физических тел. Эти свойства отражают процессы взаимодействия тел между собой и их воздействие на наши органы чувств. Для описания этих свойств вводятся физические величины (длина, масса, время, температура, объем, площадь и т. д.), каждая из которых является качественно общей для многих объектов (физических тел, их состояний, процессов), но в количественном отношении различной для разных объектов. Для того, чтобы дать меру физической величине, мы устанавливаем ее единицу.

В практическом смысле все физические величины должны иметь вполне однозначные и непротиворечивые определения или физический эталон. Разное содержательное наполнение определенных физических величин приводит к логической путанице при попытке объяснить изучаемое явление, используя нестрогие определения [1]. Весьма показательна в этом отношении связь понятий тепла, температуры и энергии, пронизывающая практически все разделы физики, химии и биологии.

Такие слова как «более нагретый», «более холодный», «теплый», «количество тепла или теплоты» служат в обыденной речи для выражения специфических субъективных «тепловых» ощущений человека. Тепловые ощущения весьма неоднозначны, даже качественно. Кроме того, тепловые ощущения весьма грубы и работают лишь в весьма ограниченном диапазоне гомеостаза человека, за пределами которого наступают болевые ощущения.

Еще в 40-х годах XIX столетия работами Роберта Майера и Дж. Джоуля было окончательно установлено, что теплота, понимаемая как физическая субстанция, не существует. Позднее тщательный логический анализ первого начала термодинамики, проведенный в 1909 году К. Каратеодори [2], показал, что нет даже никакой необходимости вводить особую физическую величину «количество теплоты».

Это не единственный случай в истории науки, когда терминология отжившей теории оказалась более живучей, чем ее физическое содержание. Следует отметить, что еще до того как была окончательно установлена природа теплоты, были разработаны достаточно точные методы измерения «количества теплоты» (калориметрия). При этом о «количестве

теплоты» подведенной к телу или отведенной от тела судили по изменению температуры.

Так возникла единица измерения теплоты – калория, как «количество теплоты» необходимое на нагревание 1 г. воды на один градус (точнее: от 14,5 до 15,5 ).

В 1843 г. Дж. Джоуль в опытах с калориметром установил эквивалентность теплоты и работы. Иными словами, было установлено, что при затрате одного и того же количества работы (количества энергии) выделяется одно и то же «количество теплоты», т. е. регистрируется постоянная разница температур. Таким образом, была установлена прямая и однозначная связь между энергией (работой) и температурой. Тем не менее, это никак не повлияло на живучесть понятия «количество теплоты», с той лишь разницей, что теплоту стали трактовать как форму передачи энергии.

Очень ярко двусмысленность, возникающая при использовании понятия теплоты как формы передачи энергии, показана в работе известного теплофизика [3]. На стр. 423 указанной работы ставит вопрос: «Можно ли спрашивать: сколько теплоты содержится в теле?» и дает четкий ответ: «Бессмысленно говорить: тело содержит такое-то количество теплоты. Можно говорить: тело содержит такую-то энергию, имеет такую-то температуру». Четко и ясно. Но буквально на следующей странице рассматривает доказательство «поглощения телом … вполне определенного количества теплоты». Получается что тело «поглотило вполне определенное количество теплоты», но «теплоты не содержит». Парадокс!

Но и в более поздних работах по термодинамике [4] и термохимии [5] опять разговор о том, что «теплота есть форма передачи энергии». Что мы подводим или передаем телу: теплоту или энергию? Действительно, если теплота является формой, она не имеет однозначной количественной характеристики, и, следовательно, не может служить количественной оценкой энергии.

Теплота – это субъективная оценка энергетического состояния тела или системы тел, данная нам в ощущениях. Температура – это объективная оценка энергетического состояния тела или системы тел при помощи термометрического тела и условной шкалы, по которой мы считываем состояние термометрического тела, зависящее главным образом от уровня электромагнитного излучения тел (точнее от баланса собственного излучения и поглощения-отражения излучения других тел).

Следовательно, нет потока теплоты, нет количества теплоты, нет поглощения или выделения теплоты. Есть потоки энергии и температура, как инструментальная оценка и физическая мера состояния баланса энергии. В термодинамике температура рассматривается как параметр системы, то есть независимая переменная. Пишут [4]: «с увеличением температуры энергия системы возрастает» или « …если увеличить температуру, то есть передать системе дополнительное количество теплоты, энергия системы возрастет» (количество теплоты отождествляется с температурой!!!). А так ли это? Если температура есть мера, то она является функцией энергии, а энергия – аргументом и независимой переменной.

В математике дается следующее определение функции: переменная величина Y (зависимая переменная) называется функцией от переменной величины X (независимая переменная), называемой аргументом, если они связаны между собой так, что каждому рассматриваемому значению величины X (допустимые значения) соответствует единственное вполне определенное значение величины Y. Однако не всякий аргумент является независимой переменной. Если в цепи функциональных зависимостей аргумент X является последним, то только он независимая переменная, поскольку аргумент Z есть сам функция переменной X. Но функция связи температуры и энергии может быть как положительной, так и отрицательной, пока не доказано обратное.

Еще в конце XYII века было установлено, что если при образовании какого-либо соединения выделяется (или поглощается) некоторое количество энергии, то при разложении этого соединения в тех же условиях такое же количество энергии поглощается (или выделяется). Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии, о чем свидетельствует изменение температуры реагирующей смеси. Измеряя количество энергии, выделенной или поглощенной при протекании реакции (так называемый «тепловой» эффект реакции), можно судить об изменении внутренней энергии по изменению температуры. При некоторых реакциях, протекающих при собственных высоких температурах, наблюдается выделение и поглощение энергии электромагнитного излучения, как видимого так и инфракрасного спектра, что однозначно определяет температуру как функцию энергии.

Тем не менее, даже в основах химии продолжают забивать головы «теплотой»: «…когда при реакции выделяется (!) свет, внутренняя энергия превращается в излучение не непосредственно, а через теплоту. Например, появление света при горении угля является следствием того, что за счет выделяющейся при реакции теплоты уголь раскаляется (?) и начинает светиться» [6].

Долгая непотопляемость, фантомность второго начала термодинамики основана в значительной степени на паразитировании понятия «теплота», являющегося субъективно-опосредованным ощущением, а не физической величиной и на аксиоматическом методе доказательств при выводе уравнения Клаузиуса. Относительно последнего: 1) выбирается некоторое множество принимаемых без доказательства предикатов определенной теории (например, цикл Карно: теплота, постоянство массы); 2) входящие в них понятия явно не определяются в рамках данной теории (постулат Клаузиуса); 3) фиксируются правила вывода и правила определения данной теории (цикличность процесса, произвольность знаков), позволяющие соответственно переходить от одних предположений к другим и вводить новые термины («энтропия») и понятия; 4) все остальные положения данной теории выводятся из (1) на основе (3).

Каждый из основоположников второго начала термодинамики, начиная с Карно, вводил свой принцип, не утруждая себя доказательствами и аргументами в пользу того, что этот принцип действительно является абсолютным, применимым ко всем без исключения процессам и явлениям [7]. Содержанию второго начала термодинамики нет дела до экспериментирования. Причем справедливость этого принципа так же не подвергалась сомнению. [8] приводит 18 формулировок второго начала термодинамики. Но все приведенные формулировки (да и сотни других) являются тождественными, т. е. вытекают одна из другой. Ни одну из этих формулировок нельзя доказать строго, не ссылаясь на одну из тождественных ей и недоказанных формулировок [7]. Размышления Сади Карно привели к появлению цикла идеальной машины [9], «различные соображения, касающиеся природы и поведения теплоты, привели Клаузиуса ко второму началу термодинамики [10].

Но даже при аксиоматическом методе доказательств Клаузиуса, можно строго показать наличие ошибки, приводящей к утрате физического смысла рассматриваемого процесса и фантомности энтропии. Размышляя над циклом Карно, Клаузиус приходит к выводу, что отношение количества тепла (энергии), взятого идеальной машиной Карно от нагревателя к количеству тепла (энергии), переданному холодильнику является функцией температур нагревателя и холодильника. Проведя преобразование уравнения Карно для кпд теплового двигателя

(1)

Клаузиус получил выражение пропорциональности изменения энергии и температуры в цикле Карно

(2)

А дальше следует чисто математическая подтасовка, искажающая физический смысл исходной предпосылки. Приняв изменение теплоты (энергии) бесконечно малым, Клаузиус «забыл» о пропорциональности изменений теплоты и температуры и пришел к выражению , где - энтропия (превращение). В действительности же с учетом физического смысла процесса, выражение (1) преобразуется к виду

(3)

и , то есть энтропия есть коэффициент пропорциональности между энергией и температурой, численно равный изменению теплоемкости (энергоемкости) системы. Таким образом, энтропия – физический фантом.

Защитники второго начала термодинамики оберегают не физический закон от несправедливой критики, а собственное жизненное пространство. А в такой борьбе все средства хороши, вплоть до приписывания противникам собственных недостатков и минусов по принципу «держи вора», чем великолепно владеют. Например, [11], отзываясь о попытках построения термодинамики реальных процессов на основе законов квантовой механики, пишет: «Для всех этих теорий характерен отказ от чисто термодинамического (основанного только на опытных фактах и их следствиях (!!!)) построения общей теории обратимых и необратимых процессов, что лишает их основного достоинства (!) классического термодинамического метода – непреложной справедливости его следствий». Вот так то, и никак иначе. Казуистика высшей пробы. Ну а чтобы прикрыть «голого короля», от особо принципиальных критиков второго начала термодинамики, приводит высказывание А. Эйнштейна: «классическая термодинамика – единственная физическая теория общего (!) содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута». Несогласны? Бодайтесь с А. Эйнштейном!

Но уши то все равно торчат. «Одной из наиболее привлекательных черт термодинамического метода всегда была возможность получения огромного множества следствий, относящихся к различным явлениям, на основе небольшого числа первичных принципов, носящих характер непреложных истин» [11]. Да, действительно заманчиво. Необозримый простор для корректно математических построений изначально лишенных физического смысла, без экспериментальной проверки и физического анализа, но «носящих характер непреложных истин». От таких перспектив даже голова кружится.

Еще раз следует подчеркнуть, что необходимо заменить понятие «теплота» энергией, дав последней четкие физические дефиниции. Иначе происходит подмена понятий не способствующая количественному анализу процессов превращения энергии. «Теплота» - понятие-паразит в науке. Особенно ярко это проявляется в работе термодинамиста с мировым именем И. Пригожина [12]: «Истинная природа теплоты как формы энергии, способной превращаться в другие формы энергии, была установлена в результате горячих научных споров. Одно из самых убедительных (!) доказательств превращения механической энергии в теплоту принадлежит Б. Томпсону (конец 18-го века!). Томпсон погрузил металлические болванки артиллерийских стволов в воду и стал высверливать в них отверстия. Тепло, выделяемое при механическом трении, довело воду до кипения. Это означало, что теплоту и механическую энергию можно было считать различными проявлениями одной и той же физической величины – «энергии». Но что же такое теплота?...Поля в состоянии теплового равновесия принято называть тепловым излучением». И где же тут физическая сущность теплоты? По-прежнему апеллируют к простейшим опытам 18-го столетия, добавив за 200 лет понятие теплового излучения!

Следует отметить, что уравнение первого закона термодинамики имеет частное значение для условий идеального газа. Обобщение первого и второго закона в интерпретации Клаузиуса приводит к появлению новых фантомов: свободной энергии Гельмгольца-Освальда и свободной энергии Гиббса, которые буквально загадили термохимию, приводя к искаженным в физическом понимании результатам вычислений. В химии, термохимии, биохимии потребуются многие годы, чтобы разгрести многослойные завалы, сооруженные классической термодинамикой.

1. 1988. Единицы физических величин и их размерности. М., «Наука».

2.  1964. Об основах термодинамики. «Развитие современной физики». М., «Наука», с. 167-222.

3.  Курс физики. Том 1. 1948. Под редакцией акад. . М., «ОГИЗ».

4. и др. 1974. Техническая термодинамика. М., «Энергия».

5.  1975. Химическая термодинамика. М., «Химия».

6.  Глинка химия. 1987. Л., «Химия».

7.  2007. Физические основы бестопливной энергетики. Ограниченность второго начала термодинамики. М., «URSS».

8.  1971. Термодинамика. М., «Наука».

9.  Сади Карно. 1923. Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу. М.-Л., Госиздат.

10.  Клаузиус (Готтлиб) Р. 1934. Механическая теория тепла. «Второе начало термодинамики», М.-Л., ГТТИ, с. 71-151.

11.  1987. Порядок и беспорядок в природе. М., «Мир».

12.  2002. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М., «Мир».