Авиационная и ракетно-космическая теплотехника. Введение в специальность Бурдаков В.П., страница 2

Соответственно, исключительно важное значение приобретает и основная теплофизическая научная дисциплина — термодинамика, которую иногда именуют наукой об эффективности. 1.2. Термодинамика — суперфундаментальная наука Суперфундаментальной мы называем науку, используемую для исследования всех без исключения жизненных проявлений человека. Сейчас в мире существует около тысячи научных дисциплин, среди которых немало фундаментальных, применяемых достаточно широко, например физика, химия, биология.

Суперфундаментальных же наук — считанные единицы. Например, математика. Ею пронизана вся наша жизнь. Просыпаясь утром и глядя на часы„мы видим цифры — символ и основу математики. Самые разные числа и в самых разных обстоятельствах сопровождают нас весь день. Мы манипулируем ими, подчас и не замечая, что используем тем самым математические методы, ибо каждая наука имеет свои только ей одной присущие методы. Большинство из нас использует математику незаметно для себя — подобно тому, как мы говорим прозой и дышим воздухом. Но люди особого научного склада ума, люди пытливые, те, кто двигает науку, все это замечают.

Задав еще в детстве э своим родителям один из многочисленных «невинных» вопросов почему небо днем голубое, а вечером красное, и получив на него более-менее вразумительный ответ, только спустя полтора десятка лет во время учебы в вузе и познакомившись с одним из разделов термодинамики (релеевская теория рассеяния света), такой человек навечно свяжет себя с увлекательной научной деятельностью. Он всегда будет иметь вопросы, на которые еще ни у кого нет ответа. Именно такие вопросы и являются питательной средой для возникновения и развития научных дисциплин. Почему у человека на руке пять пальцев, а у осьминога восемь щупалец? Случайность ли это эволюционного процесса или природная закономерность? О том, что это закономерность, свидетельствует то, что пять пальцев имеют и ящерицы, и все млекопитающие, и птицы, и лягушки.

А вот у некоторых тритонов на задних лапах пять, а на передних — только четыре пальца. (Почему?) К сожалению, математика на такие вопросы самостоятельно, то есть только своими методами, ответить не может, оставаясь, тем не менее, суперфундаментальной дисциплиной среди естественных, фундаментальных, или точных наук. В науках общественных или гуманитарных, символом и основой которых является уже не число, а буква или соответствующий этой букве звук, поскольку мы пишем.

читаем, говорим, а также думаем словами, в качестве суперфундаментальных можно назвать сразу три науки: историю, философию и экономику. Сказав «Ну вот, все вы такие1» — мы тем самым сделали философское обобщение, а расхожая фраза «То было вчера, а то сегодня!» — уже небольшое историческое исследование. Аналогичные шутки по поводу экономики сегодня излишни, так как желающие не только посмеяться, но и погрустить найдут их'в любой газете! А теперь поговорим о термодинамике, символом и основой которой является температура — физическое понятие, близкое всем нам, подобно числу или букве, но в научном плане достаточно сложное и емкое.

И тем не менее, мы привыкли к нему так же прочно, как и к часам, поскольку температура воздуха за окном или температура нашего тела при болезни иас интересует не меньше, чем текущее время. Одно из определений: термодинамика — зто наука о явлениях, характеризующихся температурой.

Самым главным принципом термодинамики, который нередко именуется нулевым началом, считается принцип температуры или принцип теплового равнове- сия: два тела, находящиеся в тепловом равновесии с третьим телом, имеют одинаковую температуру. Это означает, что, измеряя температуру различных не соприкасающихся между собою тел, можно сравнивать степень их нагретости. Степень иагретости тела — одно из определений температуры, которое, правда, нам мало что говорит. Прибор, измеряющий температуру, называется термометром.

Но не всегда температуру можно измерить термометром, так как универсальность этого понятия и его статистический смысл значительно шире, чем просто «степень нагретости». Можно взять наугад любую газету и прочитать, например, с< политическая температура» [«Начало», № 24,1992, с.4). Слово «температура» отнесено здесь к людям, «степень нагретости» которых постоянна на протяжении 4,5 млн. лет и равна 36,6 С. Политическая же температура не постоянна, а отражает, судя по смыслу этого термина, меняющееся настроение общества. Что же это за термин «политическая температур໠— просто расхожая фраза, удачное и броское политическое выражение или же что-то более глубокое и содержательное? Для ответа на этот вопрос нам надо было бы принять волшебный порошок и превратиться в микроскопических «демонов Максвелл໠— выдуманных существ, способных производить без энергетических затрат сортировку атомов и молекул.

Предположим, что такое превращение с нами произошло, и мы наблюдаем движение молекул воздуха. Вот перед нами, медленно вращаясь вокруг общего центра, проплывают два полупрозрачных шара. Мы видим, что каждый шар — это небольшое ядро и облако быстро вращающихся вокруг него электронов. Это облако окружает оба ядра, не давая им разлетаться. Расстояние между атомами все время изменяется примерно по гармоническому закону, хотя средняя его величина остается постоянной.

Мы нидим замечательное явление: как бы в невесомости происходит поступательное, вращательное и колебательное движение атома азота — основного компонента воздуха (78%). И уже совсем удивительно наблюдать столкновения атомов, в результате которых изменяются скорости всех перечисленных выше движений ( ях называют степенями свободы). Среди большого количества известных из физики характеристик движения тел (векторных и скалярных) особое место занимает энергия (в переводе с греческого — деятельность), которая для одной молекулы складывается из энергий поступательного.

вращательного и колебательного движений атомов, энергии электронов, энергии 11 внутриатомных связей и т.д. Кстати, термин «энергия» ввел в механику еще И. Кеплер в 1609 г. Определение: энергия — зто единая скалярная мера различных форм движения материи, Наблюдая далее за молекулами, видим, что время от времени они ударяются не только друг о друга, но и о более крупные «сооружения», состоящие из сотен и тысяч молекул другого сорта. Это и есть те самые пылинки, которые иногда называют аэрозолями и которые всегда присутствуют в воздухе даже самых чистых помещений. Каждая такая пылинка живет своей жизнью. Видим атомы, частично выстроившиеся упорядоченно, а в большинстве мест — хаотически.

Электроны вращаются около атомов, причем здесь, в твердом теле — не обязательно вокруг них, атомы колеблются, а все «сооружение» (т.е. пылинка) движется поступательно,,но только значительно медленнее молекул, вращается вокруг общего центра масс и имеет огромное количество ( по чяслу атомов) колебательных степеней свободы. Можно наблюдать еще одно явление: каждая молекула, ударяясь о такое, с ее «точки зрения» — неподвижное сооружение, передает ему импульс, равный произведению массы на скорость, Многочисленные же удары молекул создают давление на пылинку, которое в силу ее малости не всегда сбалансировано, приводя к тому, что последняя совершает броуновское движение — одно из интереснейших явлений, также изучаемых современной термодинамикой.

В быстроходных порцзневых двигателях молекулы горячей смеси не всегда могут догнать убегающий поршень и передать ему свой импульс, поэтому реальное давление на поршень меньше, чем на станки цилиндра, а не равно ему, как это обычно предполагается в термодинамических расчетах. Но удары молекул о твердые пылинки передают им не только импульс, но и энергию, которая для поступательного движения равна половине произведения массы молекулы на квадрат ее скорости (счнтаем, что пылинка неподвижна). Кроме того, передается, разумеется, и вращательная, и колебательная энергия. Происходит, как говорят, процесс выравнивания температуры множества соударяющихся с пылинкой частиц и самой пылинки.

Через очень небольшое время достигается температурное или, как мы теперь понимаем, энергетическое равновесие между газом и пылинкой, Таким обра- зоМ, мы поняли, что температура характеризует энергетически равновесное среднестатистическое состояние газа и более крупной твердой частицы.