Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

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.

Классификация определений энергии в термодинамике

АННОТАЦИЯ.Классифицируется терминология, применяемая в термодинамике для характеристики энергии. Приводится исторический обзор возникновения этих терминов, и схематично показана их взаимосвязь.
Classified the terminology used in to characterize of energy. Provides a historical overview of the occurrence of these terms and their interrelation is shown schematically.

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).

Особую важность представляет собой решение проблемы классификации понятий, связанных с энергией, в термодинамике, поскольку там это невозможно сделать без классификации так называемых термодинамических потенциалов. Последние по своей физической природе являются разновидностями энергии, а не разновидностями потенциалов системы, как это следует из их названия.

Воспользовавшись справочником Б.Яворского и А.Детлафа (1990), работой В.Эткина (2006) и словарными определениями, мы схематизировали на представленном рисунке терминологию, относящуюся к понятию “энергия“ в термодинамике. На этой схеме мы воспользовались общепринятой символикой. На схеме учтена классификация энергии по формам и видам, опубликованная в работах И.Когана (2007, 2009).

Общепризнанная в современной физике классификация, показанная на части рисунка, возникла после введения в 1851 г. У.Томсоном (Кельвином) понятия “внутренняя энергия“. Приведем определения приведенных разновидностей энергии:

Полная энергия системы является суммой внешней и внутренней энергии системы. Внешняя энергия системы состоит из кинетической энергии механического движения системы как целого и потенциальной энергии системы во внешних силовых полях. Внутренняя энергия системы – это энергия системы, зависящая только от ее внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого.

Внутренняя энергия системы включает в себя формы энергии всех форм движения, существующих в системе, и, соответственно, все виды энергии каждой формы энергии, взятой в отдельности. Это подробно рассматривается в статье, посвященной классификации форм и видов энергии. Связи между полной энергией системы и ее составными (аддитивными) частями указаны на схеме сплошными линиями.

Проанализировав эту классификацию, В.Эткин (2006) показал, что “часть внешней энергии системы зависит от внутреннего состояния системы“. Он показал также, что “деление энергии на внешнюю и внутреннюю не позволяет в полной мере отразить в терминологии качественные различия форм энергии“. О его предложении будет сказано ниже.

Рассмотрим, как хронологически вводились в термодинамику новые определения, связанные с энергией. Обратим при этом внимание на то, что перечисляемые понятия применимы только для равновесных систем.

В 1865 г. после введения Р.Клаузиусом физической величины S под названием “энтропия“ появились дополнительные варианты классификации энергии, учитывающие качественные различия разновидностей энергии. Энергию системы стали различать по признаку работоспособности системы.

В 1874-1878 г.г. Дж.Гиббс разработал метод термодинамических потенциалов и ввел понятие энтальпии системы (теплосодержания системы), хотя сам термин "термодинамические потенциалы" был введен в науку не им, а его последователями. Энтальпия – это сумма внутренней энергии системы и совершенной термодинамической системой работы взаимодействия со средой. Эта сумма на схеме указана штриховыми и пунктирными линиями. Работоспособная часть энтальпии (называемая также энергией Гиббса) была названа свободной энтальпией.

В 1882 г. Г.Гельмгольц ввел деление внутренней энергии системы на свободную энергию и связанную энергию. Свободная энергия – это работоспособная часть внутренней энергии системы. А связанная энергия – это неработоспособная часть внутренней энергии системы, связанная с хаотическим движением составляющих систему частиц, или так называемая “обесцененная” энергия системы. Ее называют также энергией Гельмгольца. Классификация Гельмгольца показана на схеме штрих-пунктирными линиями.

Между классификациями Гиббса и Гельмгольца имеется взаимосвязь, показанная на схеме пунктирными линиями. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца в сумме составляют энтальпию системы.

В 1955 г. З.Рант ввел новые два понятия – эксергию и анергию. Они были призваны различать полную энергию системы только по признаку работоспособности. Это деление на схеме показано также штрих-пунктирными линиями, но с двумя точками. Эксергия – это работоспособная (технически пригодная, превратимая) часть полной энергии системы. Согласно БСЭ, это “максимальная работа, которую может совершить система при переходе из данного состояния в равновесие с окружающей средой“. Анергия – это неработоспособная (технически непригодная, непревратимая) часть полной энергии системы.

В.Эткин (2006) указал на то, что работа совершается системой “не только за счет энергии самой системы, но и окружающей среды (пополняясь в процессе теплообмена с ней)“ и что эксергия З.Ранта тоже зависит от параметров окружающей среды. И это, по мнению В.Эткина, “делает понятие эксергии неоднозначным и неполным“. В.Эткин предложил взамен термина “эксергия“ ввести для превратимой (неравновесной) составляющей полной энергии новое понятие “инергия“. В.Эткин определяет инергию как “способность системы к внутренним превращениям безотносительно к тому, в чем эти превращения будут выражаться – в совершении полезной или диссипативной, внешней или внутренней работы“. И далее В.Эткин поясняет: “…в системах, проявляющих тенденцию к установлению внутреннего равновесия, инергия понижается в любых необратимых процессах вследствие совершения внутренней работы диссипативного характера“.

Это позволило В.Эткину объединить 1-е и 2-е начала термодинамики в одно простое и понятное утверждение: "При протекании самопроизвольных процессов в изолированных системах работоспособная часть ее энергии (инергия) превращается в неработоспособную (анергию); при этом их сумма сохраняется". Это и есть не что иное, как закон сохранения энергии для изолированных систем. Далее В.Эткин (2006) утверждает, что деление полной энергии системы на внешнюю и внутреннюю лишь осложнило понимание такой физической величины, как полная энергия. Он считает, что информативнее и вернее деление полной энергии системы на инергию (превратимую часть) и анергию (непревратимую часть). Из этого В.Эткин делает вывод о том, что "…отношение инергии к энергии системы является мерой её упорядоченности.".

В 2007 г. И.Коган ввел понятия "формы энергии" и "виды энергии", опубликовав схему, представленную на рисунке. Внутренняя энергия представлена в виде суммы форм энергии в различных формах движения, и каждой форме энергии соответствуют (m + 1) видов энергии, где m - максимальное значение порядка производной от изменения координаты состояния по времени. Формы и виды энергии показаны на схеме в двух нижних рядах. Более подробно о формах и видах энергии и энергообмена рассказано в следующей статье

Непосредственного отношения к систематизации физических величин приведенная классификация понятий и определений, связанных с энергией, не имеет, но может помочь разобраться в том скоплении терминов, относящихся к понятию "энергия", которое существует сейчас. Следовательно, эта схема имеет прямое отношение к систематизации физических понятий.

Литература

1. Коган И.Ш., 2007, Систематизация и классификация определений и дополнений к понятию “энергия” – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8784.html
2. Эткин В.А., 2006, Энергия и анергия. – http://zhurnal.lib.ru/e/etkin_w_a/energijaianergija.shmtl.



© И. Коган Дата первой публикации 1.02.2008
Дата последнего обновления 16.10.2013

Оглавление раздела Предыдущая Следующая