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.

В термодинамике энтропия должна быть заменена тепловым зарядом

СОДЕРЖАНИЕ.
1. В чем состоит различие между термодинамической и статистической энтропией.
2. Критический анализ понятия "термодинамическая энтропия".
3. К чему приводит замена термодинамической энтропии тепловым зарядом.
4. Каковы следствия замены энтропии в термодинамике тепловым зарядом.


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. В чем состоит различие между термодинамической и статистической энтропией.

Несмотря на то, что параметр состояния термодинамической системы “энтропия“, введенный в теорию обратимых процессов Р.Клаузиусом в 1865 г. и определяемый уравнением

dS = δQ / T , ( 1 )

имеет широкое применение во многих научных направлениях, имеются веские основания подробнее рассмотреть аспекты применения этого понятия при рассмотрении тепловой формы движения. Согласно уравнению (1) энтропия в термодинамике имеет единицу Дж К-1.

В свое время введение энтропии устранило недостатки теории теплорода при рассмотрении циклических процессов. Правда, в статье, посвященной современной теории теплопередачи, показано, что основные положения и термины теории теплорода применяются по сей день. По замыслу Р.Клаузиуса введение в термодинамику энтропии должно было придать ей стройность. На самом же деле оно ввергло термодинамику в длительную непрекращающуюся дискуссию.

Л.Больцман придал энтропии S в 1872 г. статистическое содержание, определив ее уравнением

S = kσ , ( 2 )

в котором она пропорциональна безразмерной величине σ, отражающей степень упорядоченности движения в макроскопических системах. А определяющим уравнением для σ стало уравнение σ = lnP, где P – вероятность состояния системы (не путать этот символ с обобщенным дифференциалом системы P). Из сказанного следует, что σ – это не физическая величина, а математическая абстракция, имеющая общенаучное статистическое содержание. В таком плане σ применяется далеко не только в термодинамике или вообще в физике. Естественно, что величина σ ни размерности, ни единицы не имеет.

Для приобщения σ к физике Л.Больцман умножил ее на размерный коэффициент k, названный впоследствии М.Планком постоянной Больцмана, имеющей такую же единицу Дж К-1, как и S. Поэтому сейчас при применении энтропии S в термодинамике ее называют термодинамической энтропией. В отличие от этого математическую величину σ стали называть статистической энтропией. Всё было бы нормально, если бы прилагательное перед словом энтропия чаще всего не опускалось бы для краткости, по какой причине оба эти понятия стали путать.

2. Критический анализ понятия "термодинамическая энтропия".

А.Вейник (1968) резко выступил против той роли, которую играет энтропия в современной термодинамике, но его попытка изменить ситуацию не была принята современниками. А, может быть, и не понята. Против применения энтропии в термодинамике в том ключе, в каком это задумал Р.Клаузиус, доказательно и подробно выступил также И.Львов (2003, 2004).

В.Эткин (2006) подробнейшим образом описал эволюцию понятия "энтропия" в различных отраслях знания, показав, что в результате эволюции науки содержание понятия "энтропия" ушло далеко в сторону от того содержания, которое придал ему Р.Клаузиус. Однако В.Эткин считает, что "в термодинамике энтропия является носителем тепловой формы движения, т.е. величиной, способной передаваться через границы системы в процессе теплообмена или массообмена между ней и окружающей средой." Таким образом, у В.Эткина термодинамическая энтропия оказалась отождествленной с координатой состояния тепловой формы движения, то есть с тепловым зарядом.

Однако координатой состояния тепловой формы движения, как указывал А.Вейник, энтропия может считаться только при равновесных обратимых процессах. Да и то ее можно лишь приравнять к тепловому заряду, но не отождествить с ним. B общем же случае энтропию нельзя приравнивать к тепловому заряду. Отождествление энтропии с тепловым зарядом, как это следует из работы Д.Ермолаева (2004), сужает статистический смысл энтропии и переводит статистическую энтропию из разряда величин, имеющих сейчас обобщенное содержание для любых материальных систем, в частную характеристику тепловой формы движения. Но в этом случае следует уже обязательно говорить о термодинамической энтропии, а не просто об энтропии.

По А.Вейнику координатой состояния в упорядоченной тепловой форме движения является именно тепловой заряд. Из определяющего уравнения тепловой формы движения следует, что изменение теплового заряда определяется уравнением

dΘ = δQT . ( 3 )

Уравнение (3) принципиально отличается от уравнения (1) тем, что δQ – это воздействие на систему тепловой энергии (изменение теплообмена), а не изменение количества теплоты в трактовке теории теплорода. В знаменателе уравнения (3) находится температурный напор ΔT, а не абсолютное значение термодинамической температуры T, как в уравнении (1). В таблице тепловой формы движения (таблица "Движение теплового заряда"), в соответствии с условием приращений, присутствует именно температурный напор ΔT. Из этого следует, что при систематизации величин тепловой формы движения применение термодинамической энтропии в качестве координаты состояния неприемлемо.

При адиабатических процессах тепловой заряд системы Θ не изменяется точно так же, как и термодинамическая энтропия системы S. Так что процессы с постоянным количеством теплового заряда в системе – это и есть те процессы, которые в теплотехнике называют изоэнтропийными.

При необратимости процесса в системе может измениться суммарное количество теплового заряда диссипации вследствие переноса энергии любых упорядоченных форм движения в неупорядоченную тепловую форму движения диссипации, но тепловой заряд диссипации – это совсем не то же самое, что тепловой заряд упорядоченной тепловой формы движения.

3. К чему приводит замена термодинамической энтропии тепловым зарядом.

Приведем таблицу (И.Коган, 2006), показывающую, что именно изменяется при переходе от несуществующей формы движения, применяющей термодинамическую энтропию в качестве координаты состояния, к реальной тепловой форме движения, применяющей в качестве координаты состояния тепловой заряд. Различие заметно достаточно отчетливо.

Форма движения с энтропией Форма движения с тепловым зарядом
Наименование
физической величины
Обозначение
или формула
Наименование
физической величины
Обозначение
или формула
Изменение теплообмена
Изменение энтропии системы
Термодинамическая температура
Теплоёмкость системы
δQ
dS = δQ/T
T
C
= dQ/T
Изменение теплообмена
Изменение теплового заряда
Температурный напор
Ёмкость системы по отношению
к тепловому заряду
δQ
dΘ
ΔT = (dQ/dΘ)eΔT
C = dΘ/dT


Приведем также таблицу (И.Коган, 2006), показывающую изменение уравнений для определения так называемых термодинамических потенциалов для случая адиабатного сжатия (расширения) идеального газа. Наглядная схема взаимосвязей термодинамических потенциалов приведена также в работах И.Когана (2006, 2007).

Наименование физической величины Форма движения
с энтропией
Форма движения
с тепловым зарядом
Обозначение
или формула
Обозначение
или формула
Изменение внутренней энергии
Изменение энтальпии (теплосодержания)
Изменение связанной энергии
Изменение свободной энергии Гельмгольца
Изменение свободной энтальпии Гиббса
Уравнение состояния тепломеханической системы
dU = δQ + dA
dH = dU + dA
T
dS
dF = dU − TdS
dG = dH − TdS
dW = pdV + TdS
dU = δQ + dA
dH = dU + dA
T
dΘ
dF = dU − TdΘ
dG = dH − TdΘ
dW = ΔpdV + TdΘ

4. Каковы следствия замены энтропии в термодинамике тепловым зарядом.

Возникает вопрос: как быть с TS-диаграммами, часто применяемыми при изображениях термодинамических циклов в теплотехнике и для расчета этих циклов? Можно показать, что в изображениях термодинамических циклов возможна замена изменения термодинамической энтропии dS на изменение теплового заряда dΘ, то есть TS-диаграммы вполне можно заменить на -диаграммы. Разница между применением на этих диаграммах T и ΔT проиллюстрирована на рисунке.

Заштрихованной площадью на TS–диаграмме (рис. а) показано количество теплоты δQ, сообщенное системе. На –диаграмме (рис. б) заштрихованной площадью показано изменение теплообмена dQ. Поскольку при использовании диаграмм оперируют с разностями энергообменов, большие практические затруднения при переходе с TS–диаграмм на –диаграммы не предвидятся. Но это трудно с точки зрения привычек.

Для многих поколений студентов и инженеров мысленно осязаемый смысл энтропии в термодинамике заключается в том, что возрастание энтропии означает снижение работоспособности термодинамической системы. Но в термодинамике такую же, если не большую познавательную ценность должно иметь и термическое сопротивление в реальном термодинамическом процессе при рассмотрении переноса теплового заряда через проточную систему.

В современной физике термодинамическая энтропия используется для подсчета меры работоспособности любой формы движения в любой системе. А статистическую энтропию сейчас применяют и в информатике, где она определяет критическое значение скорости "помехоустойчивой" передачи информации по конкретному каналу связи, и в космологии, и для понимания явлений живой жизни, и даже в лингвистике. Всё это подробно проанализировано в работе В.Эткина (2006). Но в качестве координаты состояния упорядоченной тепловой формы движения термодинамическую энтропию применять не следует.

Будем надеяться, что доводы, приведенные в данной статье, дополнят доводы А.Вейника, И.Львова, Д.Ермолаева и помогут освободиться от некоторых неадекватных представлений.

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., 2006, Обобщение и систематизация физических величин и понятий. – Хайфа, 207 с.
4. Коган И.Ш., 2007, Систематизация и классификация определений и дополнений к понятию “энергия” – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8784.html
5. Львов И.Г., 2003, Что такое энтропия? – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6653.html
6. Львов И.Г., 2004, Что такое тепловой заряд? – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7339.html
7. 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 4.09.2014

Оглавление раздела Предыдущая