Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА Engl

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

К сведению студентов

Основные понятия физики

Формы и виды энергии

Классификация физических систем

Основная идея системы величин

Таблицы физических величин

Итоги и выводы:

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Заряды физического поля

     Новые единицы величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Новый взгляд на         явления переноса

     Критерии подобия всюду

     Современная революция         в метрологии

Системный подход в экономике

История систематизации
величин и единиц


Необходимость модернизации
обучения физике


Учебно-наглядные пособия


Новости сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Энергия в физике − скалярная или векторная величина?

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Анализ современных определений энергии
2. Два разных подхода к пониманию энергии.
3. Что означает в физике понятие “движение“?
4. Потока энергии не существует, есть поток энергоносителей.
5. Вектор Умова-Пойнтинга − это плотность мощности волнового потока.
6. Обновленная трактовка закона сохранения энергии.


ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я), а по поводу примененных обозначений – по ссылке Символьный указатель (латинские буквы и греческие буквы).

1. Анализ современных определений энергии

Согласно БСЭ энергия (от греч. enеrgeia − действие, деятельность) − это “общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи“. В метрологическом справочнике А.Чертова (1990): “Энергия − скалярная физическая величина, являющаяся общей мерой различных форм движения материи“. Наконец, в Википедии: "скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие". Из приведенных определений следует вывод, что энергия характеризует материю только количественно.

В приведенных определениях присутствует термин “мера“. Ее метрологическое определение: “Мера − средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения значения физической величины“. В метрологии отсутствует измерительный эталон энергии, следовательно, в приведенных выше определениях термин “мера“ следует заменить термином “характеристика, как это сделано в монографии А.Вейника (1968): “самой общей и вместе с тем наиболее естественной (и простой) характеристикой движения является энергия“.

К слову “энергия“ добавляется много прилагательных, например, кинетическая, потенциальная, механическая, электрическая, тепловая, внутренняя и внешняя и т.д. В статьях, посвященных классификации форм и видов энергии и классификации энергии в термодинамике, а также в статье И.Когана (2012) приведен подробный обзор всех терминов, связанных со словом “энергия“, и разъяснено, чем отличаются формы энергии от видов энергии.

2. Два разных подхода к пониманию энергии.

Различают два противоположных метода познания: индуктивный (от частного к общему) и дедуктивный (от общего к частному). При обсуждении понятия «энергия» в физики чаще всего используется индуктивный метод. Обсуждаются различные формы и виды энергии, попытки придти к обобщенному понятию практически не встречаются.

Теоретическая метрология обычно придерживается дедуктивного метода. Она делит все физические величины на основные и производные. Основные величины являются независимыми от всех других производных величин. Другими словами, основная величина не имеет своего определяющего уравнения. А производные величины имеют каждая своё определяющее уравнение, включающее несколько основных величин. Таким образом, в метрологии сначала определяют общее, и уж по нему определяют частное.

При применении дедуктивного метода к теме статьи выясняется, что физическая величина "энергия" (без всяких дополнений к этому термину) является естественной основной величиной. А кинетическая энергия, потенциальная энергия, внутренняя энергия, энергия связи и все прочие формы и виды энергии – это производные величины, как векторные, так и скалярные.

В качестве поясняющего примера применения двух разных подходов приведем такую основную величину, как длина. Длина – это свойство (характеристика) пространства, и в этом качестве она выступает, как основная величина. А существуют еще длина свободного пробега, радиус-вектор, диаметр окружности, длина волны – всё это производные величины, как векторные, так и скалярные.

Приходится признать, что многие физики, участвующие в оживленной дискуссии по поводу того, является ли энергия векторной или скалярной величиной, не замечают различия между указанными двумя методами познания применительно к понятию «энергия».

3. Что означает понятие “движение“?

Во всех приведенных выше определениях энергии общим является слово "движение". Выясним предварительно физическое содержание самого понятия “движение“. Нами для этого был произведен экскурс по словарям, но оказалось, что это понятие не имеет общепринятого определения.

В Философском словаре и Большом энциклопедическом словаре термин “движение“ не определяется. В Википедии приводится мало содержательное с точки зрения физики определение: “Философская категория, отражающая любые изменения в мире“. В Большой Советской Энциклопедии: “Способ существования материи, важнейший её атрибут“. В словаре Грамота.ру: “Необходимое условие существования материи, её всеобщее неотъемлемое свойство; непрерывное изменение и развитие материального мира“. В Словаре естественных наук (Глоссарий.ру): “Форма существования материи; способ бытия материальных объектов, состоящий в их изменениях и взаимопревращениях“.

Привести все эти определения к общему знаменателю можно, лишь считая движение главным свойством материи. И дать понятию "движение" краткое и простое определение: "Движение – это основное свойство материи".

А теперь приведем определение физической величины из Международного метрологического словаря JCGM 200:2012: “свойство явления, тела или вещества, которое может быть выражено количественно в виде числа с указанием отличительного признака как основы для сравнения”.

Движение, как свойство материи, полностью отвечает определению физической величины. Отличительным признаком движения является его направленность. Поэтому ничто не мешает считать движение векторной физической величиной, обозначив его символом Е. И тогда естественно вытекает вывод, что энергия Е, как скалярная величина, является модулем векторной величины "движение".

Введение новой физической величины "движение" вряд ли будет принято в физике. Кроме того, векторную величину и ее модуль не принято называть разными терминами. Остается один выход: считать, что свойством материи является энергия, как векторная величина.

4. Потока энергии не существует, есть поток энергоносителей.

Рассмотрим физическую величину, называемую в современной физике потоком энергии. Анализ этого термина показывает, что он не корректен, так как энергия - это физическая величина, характеризующая движение материи, то есть свойство движущейся материи. А характеристика (свойство) двигаться или течь не может, течь могут лишь энергоносители. Само применение термина “поток энергии“ является одним из проявлений понятийной бессистемности в физике.

Обозначим вектор производной по времени от энергии (как вектора Е) символом Р, то есть

Р = dЕ/dt . ( 1 )

Уравнение (1), записанное в скалярном виде Р = dЕ/dt, является в современной физике определяющим уравнением для мощности Р. как скалярной величины. А векторную величину Р из уравнения (1) можно назвать мощностью потока энергоносителей.

5. Вектор Умова-Пойнтинга − это плотность мощности волнового потока.

В современной физике мощность потока энергоносителей рассматривается только в теории волн (так как каждая волна является энергоносителем) и только в виде мощности волнового потока, отнесенной к площади поперечного сечения этого потока, с единицей Дж м-2 с-1 или Вт м-2.

В учебнике по физике И.Савельева (2005, кн.4, п.1.6) для потока волн растяжения-сжатия в упругой среде применяется вектор Умова

j = wv , ( 2 )

где w = W/S − объемная плотность энергии в цилиндре достаточно малого размера, S − площадь поперечного сечения волнового потока, vфазовая скорость волны. (Символ W часто применяется для обозначения энергии вместо символа Е.)

При выводе уравнения для вектора Умова в учебнике И.Савельева применяется понятие поток энергии Φ волн растяжения-сжатия, определяемый уравнением Φ = dW/dt, аналогичным уравнению (1), только в скалярном виде. При применении величины Φ правильно было бы вектор Умова определять уравнением

j = (dΦ/dS) ndS , ( 3 )

где ndS − орт нормали к сечению потока энергоносителей, то есть орт нормали к площадке dS. Но, как было показано выше, понятие "поток энергии" не корректно.

В электромагнетизме путем сложных математических преобразований плотность мощности потока энергоносителей (электромагнитных волн) в физическом вакууме обозначают символом S, называют вектором Пойнтинга и определяют уравнением:

S = [E H] , ( 4 )

где E − напряженность электрического поля, H − напряженность магнитного поля в веществе. Поскольку вектор Пойнтинга определяется в физическом вакууме, а не в веществе, уравнение (4) некорректно, так как следует применять не напряженность магнитного поля в веществе H, а напряженность магнитного поля в физическом вакууме, то есть магнитную индукцию В. В Фейнмановских лекциях по физике (т.6, гл.27, п.3) вектор Пойнтинга определяется уравнением

S = [(ε0с2E) В] . ( 5 )

Как вектор Умова, так и вектор Пойнтинга являются частными случаями поверхностной плотности мощности волнового потока энергоносителей.

По внешнему виду определяющих уравнений (2-5) почти невозможно увидеть истинное физическое содержание векторов Умова и Пойнтинга. Только введение энергии как векторной величины, обозначаемой в данном случае символом W, и ее производной по времени Р позволяет с помощью уравнения (1) понять это содержание, как отношение мощности волнового потока к площади поперечного сечения этого потока.

6. Обновленная трактовка закона сохранения энергии

Важнейший вывод из сказанного выше: закон сохранения энергии при движении материи можно трактовать иначе, нежели сейчас, а именно: при движении энергоносителей должна сохраняться энергия, как скалярная величина Е и как векторная величина Е.

В соответствии с этим законом любое изменение направления движения одной части физической системы должно сопровождаться аналогичным и противоположным по знаку изменением направления движения другой части системы таким образом, чтобы осталось прежним не только количество энергии физической системы, но и суммарное направление потока энергоносителей.

Естественно, что под направлением движения энергоносителей понимается не только направление прямолинейного движения, но и направление вращательного движения. В частности, на подобной трактовке закона сохранения энергии основано, например, одновременное возникновение двух разнонаправленно вращающихся вихрей с одинаковым количеством энергии вращательного движения.

При такой трактовке закона сохранения энергии два других важнейших закона (закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса) вытекают в качестве частных случаев именно из закона сохранения энергии, как векторной величины, а не являются независимыми законами.

Литература

1. Вейник А.И., 1968, Термодинамика. 3-е изд. – Минск, Вышейшая школа, 464 с.
2. Коган И.Ш., 2012, Энергия как основная физическая величина. – “Законодательная и прикладная метрология”, 1, с.с. 48-53.
3. Савельев И.В., 2005, Курс общей физики (кн. 4). – М.: АСТ: Астрель
4. Чертов А.Г., 1990, Физические величины. – М.: Высшая школа, 336 с.
5. JCGM 200:2012 International vocabulary of metrology – Basic and general concepts and associated terms (VIM). 3rd edition.


© И. Коган Дата первой публикации 01.08.2009
Дата последнего обновления 02.08.2015

Оглавление раздела Следующая