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?

СТУДЕНТАМ на ЗАМЕТКУ

Разъяснение основных терминов

Формы и виды энергии

Условия успешной систематизации

Классификация физических систем

Основная идея системы

Таблицы физических величин

В чем новизна сайта?

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Систематизация величин         силовых полей

     Систематизация величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Обобщение явлений         переноса

     Критерии подобия всюду

     Альтернативные взгляды         на проблемы метрологии


Системный подход в экономике

История проблемы
систематизации величин


Учить физику по-новому!

Учебно-наглядные пособия


Каталог ссылок

Обновления на сайте

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Закон Фурье и его модификация

АННОТАЦИЯ. Показано, что закон Фурье в современной его записи базируется на теории теплорода, и это не дает возможности систематизировать физические величины тепловой формы движения, а также выявляет ряд серьезных недостатков в современной теории теплопередачи. Для устранения этих недостатков закон Фурье нуждается в модификации, суть которой приведена.

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).

Интересный парадокс наблюдается при изучении термодинамики и теплотехники. С одной стороны, утверждается, что с теорией теплорода давно и бесповоротно покончено, как с несостоятельной теорией, и в то же время она широко применяется на практике в теории теплопередачи при использовании закона Фурье. Приведем одну из форм записи этого закона:

Φ = − λ(∂T/∂x)S , ( 1 )

где Φ − тепловой поток; λ − коэффициент теплопроводности; ∂T/∂x − градиент температуры; S − площадь сечения, сквозь которое протекает тепловой поток.

Более полувека тому назад А.Вейник (1968) показал, что при использовании закона Фурье в записи (1) сохраняются до сих пор в теории теплопередачи терминология, единицы тепловых величин и уравнения теории теплорода. Основной тезис теории теплорода о том, что теплота является особой неуничтожимой жидкостью и может накапливаться, очевидны в терминах ”тепловой поток” и ”теплоемкость”. Как будет показано ниже, физические величины, базирующиеся на уравнении (1), невозможно включить в систему физических величин при попытке систематизации физических величин тепловой формы движения. А.Вейник доказал, что изучать тепловую форму движения можно, лишь модифицировав закон Фурье.

Неудачные попытки систематизации тепловой формы движения

Первую неудачную попытку предпринял И.Коган (1993, Приложение IV) в своей Таблице аналогий. В качестве координаты состояния тепловой формы движения был принят температурный заряд с единицей джоуль. Следствием такого решения оказалось, что при применении уравнения состояния температурный напор стал безразмерным, а у теплоёмкости оказалась единица джоуль.

Через 5 лет И.Коган (1998) попробовал использовать закон Фурье в современной записи (1) в главном определяющем уравнении в виде

dW = Рi dqi , ( 2 )

где dWизменение энергообмена системы со средой; dqi − изменение координаты состояния i-ой формы движения системы; Рiразность потенциалов между системой и средой в i-ой форме движения. Это привело к тому, что dW получило не существующую в термодинамике единицу Дж К. А в роли координаты состояния тепловой формы движения оказалось изменение количества поступающей в систему теплоты δQ, то есть изменение теплообмена. Если же учесть, что изменение теплообмена это частный случай изменения энергообмена, то оказывалось, что в тепловой форме движения отсутствует координата состояния и, следовательно, отсутствует и сама форма движения, что продемонстрировано в таблице "Теплопроводность". Наконец, если в уравнении (2) нет либо dW, либо dqi , то невозможно определить разность потенциалов ΔРi (в нашем случае температурный напор) и выяснить его размерность и единицу. Стало понятно, почему существующая размерность температуры Θ с единицей К (Кельвин) введена в СИ условно. Так что и эта попытка оказалась неудачной.

Помимо этого оставалось непонятным, почему в современной термодинамике единица теплоёмкости С совпадает с единицей энтропии, хотя эти две величины имеют разное физическое содержание.

Добавим, что в таблице "Теплопроводность" температурный напор и тепловой поток являются величинами скалярными вопреки условию направленности, которое говорит, что главное определяющее уравнение следует применять в виде векторного произведения:

dW = ΔРi dqi . ( 3 )

В уравнении (3) в качестве ΔРi должен выступать температурный напор ΔТ. Вместо этого в современной теории теплопередачи поступают иначе: искусственно вводят орт, направленный по нормали к изотермической поверхности, умножая его на плотность теплового потока. И этим искусственным математическим приёмом сообщают температурному напору векторный характер.

В теории теплопередачи должен использоваться модифицированный закон Фурье

Как выяснилось, решение этой проблемы может быть основано на предложении А.Вейника (1968), который отделил упорядоченную тепловую форму движения от неупорядоченной тепловой формы движения диссипации. В тепловую форму движения диссипации переходят все другие формы движения в реальных процессах вследствие наличия сопротивления трения. В нее переходит, в том числе, и упорядоченная тепловая форма движения.

Упорядоченная тепловая форма движения должна определяться своей собственной координатой состояния, как и все прочие формы движения (механическая, гидравлическая, электрическая и т.п.). Для этого А.Вейник ввел для упорядоченной тепловой формы движения свою координату состояния, назвав ее “термическим зарядомΘ с единицей Дж К-1 (мы пользуемся термином "тепловой заряд").

А.Вейник поделил обе части закона Фурье в записи (1) на температуру T и записал уравнение, которое справедливо было бы назвать законом Вейника, в виде:

Φa = − a(∂T/∂x)S . ( 4 )

В результате появилась физическая величина Φa = Φ/T, названная А.Вейником “термическим потоком”, а вместо теплопроводности λ появилась физическая величина a = λ/T, названная “термопроводностью”. (Ее не следует путать с другой величиной “температуропроводность”.)

А.Вейник назвал упорядоченную тепловую форму движения “термической формой движения“, определив ее, как упорядоченную форму переноса импульса частиц. В этом и состоит основное отличие термической формы движения А.Вейника от тепловой формы движения диссипации, как неупорядоченной (броуновской) формы переноса импульса частиц.

А.Вейник предложил записывать уравнение переноса не для теплового потока, а для термического потока, соответствующего реальному упорядоченному переносу импульса молекулами (или другими материальными носителями) из более нагретой в менее нагретую зону. В процессе такого переноса импульса и появляется, как показал А.Вейник, та форма энергообмена, которую сейчас называют теплотой (или количеством теплоты), а следовало бы называть теплообменом.

Очевидно, что уравнение (4) при сокращении левой и правой части на T (при условии T ≠ 0) превращается в закон Фурье (1). Поэтому-то закон Фурье и применим при практических расчетах. Но А.Вейник показал на многочисленных примерах, что применение уравнения (1) приводит к неверному истолкованию ряда результатов экспериментов, а уравнение (4) приводит к естественной и понятной трактовке целого ряда явлений не только в теории теплопередачи, но и в термодинамике в целом. К сожалению, предложение А.Вейника до сих пор не принято современной физикой. Многочисленные высокопоставленные критики А.Вейника, базируясь на отдельных недостатках его книг, отвергли одну из наиболее важных и плодотворных его идей.

Модифицированный закон Фурье позволяет систематизировать тепловую форму движения

Использование именно уравнения (4) привело И.Когана (1998) к успешной систематизации тепловой формы движения (см. таблицу "Движение теплового заряда"), хотя это потребовало изменения размерностей и единиц многих тепловых величин. К сожалению, современная физика пользуется до сих пор неадекватными тепловыми величинами с их неадекватными размерностями и единицами, которые освящены системой СИ.

В новой таблице "Движение теплового заряда" в роли dW выступает количество теплоты δQ, но под ним понимается количество тепловой энергии упорядоченной тепловой формы движения, сообщаемое системе при теплообмене. В роли координаты состояния формы движения присутствует изменение теплового заряда dΘ, и в роли разности потенциалов естественно оказывается температурный напор ΔT. Термический поток Φa представляет собой поток тепловых зарядов, тогда как в современной теории теплопередачи тепловой поток Φ отражает лишь интенсивность теплообмена.

Выясняется также, что у параметров производных величин упорядоченной тепловой формы движения, должны быть единицы, отличающиеся от единиц СИ тем, что единица К (Кельвин) присутствует в них не в первой, а во второй степени. Вместо понятия “теплоемкость” появилось новое понятие “термоемкость” (или тепловая ёмкость), отражающее интенсивность изменения теплового заряда в зависимости от изменения температурного напора. Используемый в современной теории теплопередачи коэффициент теплопроводности λ заменен на коэффициент термопроводности a с единицей измерений Вт м-1 К-2. К совершенно аналогичным размерностям и единицам для параметров теплопередачи независимо от А.Вейника и И.Когана пришел впоследствии Д.Ермолаев (2004), он привел дополнительные свидетельства необходимости модификации закона Фурье.

В.Эткин (2006) указал на необходимость различать термодинамическую энтропию от статистической энтропии и на то, что в реальных необратимых процессах изменение термического заряда не может трактоваться как изменение термодинамической энтропии. Поэтому изменение энтропии не включено в таблицу ”Движение теплового заряда”. Более детально вопрос об энтропии разобран в отдельной статье.

Выводы

Предложения А.Вейника, если бы они были приняты в период их опубликования, привели бы в порядок теорию теплопередачи еще более полувека тому назад. Но этого не случилось тогда, и не делается сегодня, несмотря на то, что в работах И.Когана (1998) и Д.Ермолаева (2004) приведены доказательства того, что тепловую форму движения невозможно включить в процесс систематизации физических величин, если не принять предложения А.Вейника. Трудно сказать, сколько еще ученых и какого уровня должно подключиться к этой уже в основном решенной проблеме, чтобы на нее обратила внимание официальная наука.

Так как к решению проблемы включения тепловой формы движения в процесс систематизации физических величин подключаются всё новые ученые, предлагающие различную терминологию и символику, возникает необходимость выработать единую точку зрения на это. О чем и говорится в статье, посвященной терминологии тепловой формы движения.

Литература

1. Вейник А.И., 1968, Термодинамика. 3-е изд. – Минск, Вышейшая школа, 464 с.
2. Ермолаев Д.С., 2004, Обобщенные законы физики применительно к теплофизике. – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7442.html
3. Коган И.Ш., 1993, Основы техники. Киров, КГПИ, 231 с.
4. Коган И.Ш., 1998, О возможном принципе систематизации физических величин. – “Законодательная и прикладная метрология”, 5, с.с. 30-43.
5. Эткин В.А., 2006, Многоликая энтропия. - http://zhurnal.lib.ru/e/etkin_w_a/mnogolikayaentropyja.shtml



© И. Коган Дата первой публикации 1.06.2006
Дата последнего обновления 11.02.2015

Оглавление раздела Следующая