Свойства термического заряда.

 

       Образно выражаясь, общая теория начинается там, где кончается энтропия и начинается термический заряд. Теперь, после установления основных законов и понятий общей теории, появилась возможность сравнить наиболее характерные особенности термического заряда и энтропии. При этом с самого начала надо подчеркнуть, что во всех своих главных свойствах термический заряд принципиально отличается от энтропии, поэтому недопустимо смешивать эти величины.

       Понятие термического заряда было введено автором в 1956 г. в качестве основы первого опубликованного варианта общей теории. Термический заряд существует реально. Он однозначно с качественной и количественной стороны характеризует элементарную термическую форму движения во всех ее проявлениях на любом уровне картины мира.

       Термический заряд обладает квантовыми (дискретными) свойствами. Элементарным квантом термического заряда служит термон t, величина которого определяется формулами (515), (525) и (532). Наиболее характерно свойства термона проявляются в кванте электромагнитного излучения (света) – фотоне. Термон t представляет собой фундаментальную физическую постоянную. Согласно четвертому дополнительному постулату (§ 8), в природе должен существовать также антитермон ` t, который еще предстоит обнаружить экспериментально.

       Термическому заряду присуща способность самопроизвольно распространяться в направлении убывания температуры. Температура есть потенциал, сопряженный с термическим зарядом, т.е. является движущей силой процесса переноса термического заряда. Произведение температуры Т на количество перенесенного заряда d Q равно термической работе dQ _Q [формула (59)].

       Перемещение любого заряда, в том числе термического, в сторону уменьшения сопряженного с ним потенциала сопровождается возникновением (рождением) новых термонов, а в обратном направлении – уничтожением (поглощением) имеющихся термонов.

 

       2. Свойства энтропии.

 

       Энтропия S ведена в науку Клаузиусом в 1865 г. Она была предназначена для реабилитации термодинамики Карно, который основывался на теории теплорода. К тому времени стало ясно, что теплота не есть невесомая неуничтожимая жидкость (флюид), ибо она может превращаться в эквивалентных количествах в работу. Поэтому Клаузиус представил количество тепла dQ_Q в виде произведения температуры Т на изменение энтропии dS системы формула (60):

                                           dQ_Q = ТdS             дж.

       При введении энтропии Клаузиус совершил следующие два «преступления», которые заставили науку вариться в собственном соку в течение последующих ста лет.

       Первое преступление заключается в том, что Клаузиус отказался от теории теплорода только наполовину. Он сделал теплоту уничтожимой, так как она может исчезать и возникать за счет активностей других форм движения, но сохранил за нею право перетекать из тела в тело (§ 58).

       Второе преступление выразилось в том, что Клаузиус дал «обоснование» справедливости формулы (60). Ошибочное по существу [9], по форме это обоснование накрепко привязало энтропию к состояниям покоя (равновесия) системы и к идеальным (обратимым) процессам.

       В результате свойства энтропии выглядят следующим образом.

       Энтропия есть параметр состояния, характеризующий свойства макроскопической системы в условиях равновесия. Энтропия системы может изменяться, но переходить из тела в тело она не в состоянии. Переходит только теплота. Таким образом, энтропия приобретает смысл удобного расчетного параметра, который получается, если количество тепла разделить на температуру. За сто лет в энтропии невозможно было обнаружить другого физического смысла.

       По Клаузиусу, реальный (необратимый) процесс теплообмена между двумя телами происходит следующим образом (рис. 24). Первое тело теряет количество тепла dQ_Q. Это тепло приобретает второе тело. Вследствие теплообмена энтропия первого тела уменьшается на величину

                                           dS’ = dQ_Q/Т’          дж/град,

а энтропия второго тела возрастает на величину

                                           dS” = dQ_Q/Т”                    дж/град.

       Знаменатель второй дроби Т” меньше, чем знаменатель первой дроби Т’, поэтому суммарное изменение энтропии двух тел всегда больше нуля, т.е.

                                           dS = dS” - dS’ = dQ_Q/Т” - dQ_Q/Т’ > 0.                            (533)

 

Рис. 24. Схема переноса теплоты от тела 1 к телу 2, по Клаузиусу.

 

       Отсюда видно, что необратимые взаимодействия сопровождаются возрастанием энтропии. Но на сколько увеличивается энтропия – этого вопроса теория Клаузиуса решить не в состоянии. В результате количественная сторона всех реальных процессов оказалась за семью замками. Максимум, что можно было сделать для реальных процессов в рамках идеи о переносе теплоты, это написать следующее знаменитое соотношение:

                                           dS ³ dQ_Q/Т            дж/град.                                         (534)

       Знак равенства относится к идеальным процессам, а знак неравенства – к реальным.

       Теория Клаузиуса, сделавшая энтропию, как и всю термодинамику, принадлежностью равновесных состояний, завела науку в тупик, ибо лишила ее возможности изучать реальные (необратимые) процессы.

 

       3. Физический смысл энтропии.

 

       Понятие энтропии приводит к тем же результатам, которые дает термический заряд в идеальных условиях равновесия системы. Следовательно, энтропию можно рассматривать как частный случай термического заряда, относящийся к простейшим условиям равновесных (идеальных) состояний макроскопической системы.

       При такой постановке вопроса энтропия приобретает смысл макроскопического по размерам термического заряда, находящегося в состоянии покоя. Иными словами, энтропия – это огромное скопление покоящихся термонов, которые вследствие их большого количества не проявляют своих зернистых свойств. В этом заключается единственно правильная трактовка понятия энтропии. Разобраться в сути этого понятия оказалось возможным только благодаря тому, что удалось встать высоко на пригорке общей теории, с которого видна не только энтропия, но и ее окрестности. Ведь общая теория изучает движение, частным случаем которого является покой, характеризуемый энтропией.

       Разумеется, ни сам создатель энтропии Клаузиус, ни все его последователи никогда не вкладывали в энтропию подобного смысла. Но такая точка зрения вполне законна, ибо энтропия на уровне макромира определяет термическую форму движения в состоянии равновесия (покоя) тела. Именно для этих целей она была изобретена. Те же самые функции выполняет термический заряд, когда не перемещается, - он тоже в одном из частных случаев характеризует термические свойства покоящегося макроскопического тела. Это сходство имеет принципиальное значение. Все остальное несущественно.

       В частности, не существенно, что Клаузиус наделил энтропию целым рядом мистических свойств, например, способностью только возрастать в реальных процессах с трением и т.д. Изрядное количество мистики внес в энтропию сам способ ее вывода. Однако эти мистические свойства принимать во внимание не следует, ибо нельзя требовать от Клаузиуса, чтобы он на основе анализа частного понятия покоя сделал правильные выводы о более общем понятии движения. Всякая подобного рода экстраполяция свойств таит в себе неограниченные возможности односторонних оценок и ошибок. Наоборот, перейти от более общего понятия к частному не составляет труда. При этом происходит как бы интерполяция свойств, и любая частность приобретает многогранную полнокровную окраску.

       В своем первобытном состоянии энтропия – это полумистическая величина, которой не дозволяется ни характеризовать иные уровни мироздания, кроме макроскопического, ни перемещаться, ни обладать дискретными (зерновыми) свойствами, ни тем более уменьшаться и т.д. По сути дела энтропия ранее и не могла восприниматься иначе как удобный расчетный прием для оценки равновесия тел. Только общая теория позволила вложить определенный и ясный физический смысл в энтропию и расчленить связанные с нею представления на отдельные – годные и негодные – составляющие. Все, что касается оценки с помощью энтропии реальных процессов, т.е. движения, все это должно быть отсечено и отброшен, ибо движение есть компетенция термического заряда. В частном случае макроскопического покоя термический заряд обладает свойствами, которые совпадают с рациональным зерном свойств энтропии. Поэтому, если энтропию излечить от ее пороков, то она превращается в весьма скромный частный случай термического заряда.

       Разумеется, энтропия не имеет смысла функции (энтропии) Больцмана, равной логарифму вероятности состояния механической системы, которая содержит большое число хаотически движущихся частиц. Она не имеет также смысла функции (энтропии) Шеннона, равной логарифму вероятности осуществления исхода некоторого опыта. В первом случае речь идет о кинетической (механической) форме движения, во втором – об информационной. Обе эти формы движения ничего общего не имеют с термической, поэтому сходство между энтропией Клаузиуса и «энтропиями» Больцмана и Шеннона существует только на словесном уровне – на уровне неверно присвоенных наименований.

 

 

Понятие потока теплоты.