Страница 29 из 150
Отсутствие какой-либо конкретной степени свободы - внутренней или внешней - говорит о внутренней или внешней изоляции системы по отношению к соответствующему веществу. Например, жидкости и твердые тела практически несжимаемы, то есть внутренне изолированы по отношению к объему, поэтому они не могут быть использованы в качестве рабочего тела в тепловом двигателе; фарфор и стекло внутренне изолированы по отношению к электрическому заряду, значит, они не могут служить проводниками электричества. Аналогично внешняя изоляция системы по отношению к объему может быть достигнута путем применения жесткой окружающей среды (оболочки), как в калориметрической бомбе; внешняя электрическая изоляция обеспечивается с помощью оболочки из фарфора, стекла и т.п.
Теперь должно быть ясно, что уравнение (31) выведено при условии, когда l = le = n . Это соответствует крайнему частному случаю полного совпадения всех внутренних и внешних степеней свободы системы. В противоположном крайнем случае, когда все степени свободы не совпадают между собой, величина n = 0 , при этом система полностью внешне изолирована, взаимодействие между нею и окружающей средой невозможно.
Из сказанного следует, что в уравнение (31) вместо величины l правильно подставлять величину n , которая является характеристикой не только системы, но и окружающей среды и однозначно определяет условия взаимодействия системы с последней [ТРП, стр.102-103].
7. Первое начало ОТ, или закон сохранения энергии.
Теперь все величины, входящие в основное уравнение (31) для ансамбля простых явлений, нам известны. Необходимо обобщить полученные результаты и установить смысл уравнения в целом.
Мы убедились, что левая часть соотношения (31) определяет изменение энергии системы, а правая - внешние работы, которые на контрольной поверхности совершает окружающая среда над системой. Работы совершаются в процессе переноса веществ через контрольную поверхность. Для этих условий уравнение (31) утверждает факт существования однозначной связи между изменением энергии системы и суммой внешних работ, причем сумма работ, совершаемых над системой, равна изменению энергии последней.
Уравнение (31) с равным успехом может быть применено также к окружающей среде. По отношению к последней совершаемые работы оказываются отрицательными. Поэтому изменение энергии среды dUc тоже должно быть отрицательным. Поскольку в обоих случаях рассматриваются одни и те же работы, постольку должно быть справедливо равенство
dU + dUc = 0 (46)
Как видим, на сколько увеличивается энергия системы, на столько же уменьшается энергия окружающей среды. Иными словами, суммарное изменение энергии системы и среды равно нулю, то есть совокупная энергия системы и среды остается неизменной при любых процессах их взаимодействия.
Следовательно, соотношение (31) представляет собой не что иное, как уравнение закона сохранения энергии, или просто закона энергии. Это уравнение выведено для первого - начального - шага эволюционного развития явлений. Поэтому закон энергии заслуживает наименования первого начала ОТ. Из уравнения (31) в качестве частных случаев получаются все известные уравнения этого типа: уравнение первого закона термодинамики, уравнение Гиббса и т.д. (см. параграфы 19 гл. XV и 3 гл. XX).
Первое начало в наиболее общем виде выражает идею сохранения количества поведения вещества при любых взаимодействиях системы и окружающей среды. Оно справедливо для любого уровня мироздания и любой по сложности формы явления, то есть представляет собой предельно универсальный, абсолютный закон природы. В самой общей формулировке первое начало гласит: энергия (количество поведения вещества) Вселенной постоянна.
Впервые идея сохранения в самом общем виде как основной принцип развития мира зародилась еще в древности. Например, греческий философ Эмпедокл (450 лет до н.э.) учил, что ничего не может происходить из ничего и ничто не может быть уничтожено. В простейшей форме эта идея получила количественное выражение в законе рычага Архимеда. Согласно этому закону, сила обратно пропорциональна перемещению (золотое правило механики), что соответствует постоянству их произведения, то есть работы. Леонардо да Винчи распространил этот закон на вращательное движение (ворот). При этом постоянным оказывается произведение вращательного момента на угол поворота. В 1842 г. Р. Майер экспериментально открыл закон эквивалентности теплоты и работы и определил числовое значение механического эквивалента теплоты. В 1843 г. Д. Джоуль и независимо от него в 1844 г. Э.X. Ленц установили закон сохранения энергии применительно к термическим и электрическим явлениям (закон Джоуля-Ленца). Наконец, в 1847 г. Гельмгольц обобщил этот закон, распространив его на все формы движения материи. Термин «энергия» происходит от греческого слова energeia - деятельность.
Таким образом, закон сохранения энергии был установлен экспериментально и всегда считался чисто опытным законом, который невозможно получить теоретически. Однако парадигма ОТ позволяет по-новому взглянуть на мир, благодаря чему удается аналитически вывести уравнение, определяющее одно из важнейших свойств природы. В данном случае упомянутый выше метод эстафеты сопровождается передачей в ОТ самого замечательного закона естествознания.
Чтобы не возникало неясностей при практическом использовании уравнения (31), надо сделать несколько пояснений, касающихся математических символов d , входящих в это уравнение; о них еще не говорилось. Очевидно, что d перед U представляет собой полный дифференциал, то есть бесконечно малое изменение, бесконечно малую разность; в данном случае имеется в виду разность значений энергии между двумя состояниями системы. Аналогичный смысл полного дифференциала имеет знак d перед Е . Величина dE определяет количество перенесенного через контрольную поверхность вещества, в соответствии с этим изменяется и экстенсор системы.
В противоположность этому знак d перед Q не является дифференциалом, ибо работа dQ есть не изменение чего-либо, а просто бесконечно малая величина. Работа совершается в процессе переноса вещества через контрольную поверхность. В момент окончания процесса работа прекращается. О качественной и количественной стороне совершенной в закончившемся процессе работы можно судить только по косвенным признакам: по изменениям экстенсоров и энергии системы. Иными словами, работа не может содержаться в системе, поэтому она не может изменяться и, следовательно, dQ не есть дифференциал работы (не есть разность каких-то двух значений величины Q в системе).
Отмеченное различие в физическом смысле знаков d в уравнении (31) имеет принципиальное теоретическое и практическое значение. Например, оно делает невозможным одинаковый подход при определении величин Е , U и Q , что будет ясно из дальнейшего изложения.
Как видим, знак d перед Q имеет условный смысл. Но определенная условность содержится также и в знаках d перед энергией и экстенсорами. Ведь исходное уравнение (30) найдено для макроскопической системы, его дифференцирование связано с устремлением в пределе к нулю каждого экстенсора. При этом система как бы последовательно переходит из макромира в микромир, наномир и т.д., которые обладают неодинаковыми свойствами: континуальными (непрерывными), дискретными (квантовыми) и т.д. Поэтому во избежание неясностей и недоразумений надо четко представлять себе, что устремление dE к нулю происходит мысленно, условно, на том уровне свойств, которые рассматриваются в каждом данном конкретном случае, например на уровне макромира. Если фактические размеры системы приближаются к величинам отдельных порций (квантов) веществ, тогда скачкообразно начинают изменяться энергия и интенсиалы, а также коэффициенты А и К , которые появляются в третьем и пятом началах ОТ. Это обстоятельство необходимо учитывать. При этом следует различать дискретность экстенсоров и скачки в значениях величин U , P , А и К . Эти скачки применительно к каждой данной степени свободы уменьшаются с ростом числа квантов соответствующего вещества в системе. При решении подобных задач большую помощь могла бы оказать особая дискретная алгебра, сейчас делаются попытки ее разработки [ТРП, стр.104-106].