Авиационная и ракетно-космическая теплотехника. Введение в специальность Бурдаков В.П., страница 3

Вот почему в качестве такой твердой частицы мо- жет быть использован одын из спаев термопары, шарик ртутного нлн спиртового термометра н т,д„называемый сенсором, или чувствительным элементом. Осредненная энергия хаотического (теплового) движения огромного числа частиц. составляющих термодинамическое рабочее тело (ТРТ) это, по сути дела, и есть его температура, зависящая от распределения скоростей в статистическом ансамбле частиц. «Скоростные» характеристики ансамбля определяются так называемой газовой постоянной Л, которая и выполняет роль размерного коэффициента пропорциональности между энергией и температурой: Е=Я Т, Дж. При одной и той же температуре больше энергия у того газа, у которого больше Я или, что то же самое, у которого меньше молекулярная масса д, то есть существует соотношение Е= —, Дж/(кг К). 8314 )г Для твердых и жидких ТРТ.

а также для плазмы, это соотношение не работает. Есть и еще одно' соотношение между кинетической энергией и температурой частицы Е= — ВТ, 3 2 которое применяется, как правило, для микропроцессов. Как показал еще А.Эйнштейн, эта энергия от размера частиц не зависит. Константа к называется постоянной Больцмана. Л. Больцман, как и Д. Гиббс первыми стали исследовать статистические характеристи- Э ки термодинамических ансамблей, состоящих из большого числа частиц. В трудах И.Р. Пригожина, А.И.

Вейника и других термодинамиков высказываются мысли о том, что в качестве «частиц» могут выступать не только микроскопические «кирпичики мироздания», атомы, молекулы и кластеры (группы атомов и молекул), но и насекомые, звери, люди, страны и даже галактики — лишь бы они образовывали статистический термодинамический ансамбль, то есть содержали бы достаточное количество «частиц». С уменьшением количества газа в ТРТ сверхчувствительные малоинерционные термометры фиксируют все увеличивающиеся коле- 13 и и 4 -в Й «> $$ йв »« з —, ь « >ч > е ч "> н О 1»»»>»1 н»»»>г»>з»»«»»>Г 7»>»>»«>»»эз 14 бания или флуктуации температуры около ее среднего значения.

Если ТРТ вЂ” реальное тело, то с уменьшением его размеров может наступить кластеризация, иногда сопровождающаяся скачкообразным изменением его средней температуры и ряда других свойств, обусловленных межатомными или межмолекулярными взаимодействиями в упаковке «грозди» (кластер — в переводе с английского— гроздь). Кластерам в настоящее время приписывают «ответственность» за уникальные характеристики шаровых молний, геометрическую теорию кластеров используют в дистанционном зондировании Земли ( термодинамика на плоскости), в изучении эффектов самоорганизации живой и неживой материи и т.д.

Дело в том, что самые различные как природные, так и антроногенные объекты самоорганизации: облака, бассейны рек, технические объекты, культурные посевы, леса, города, районы, государства и т.д., несмотря на всю кажущуюся хаотичность их форм и размеров, можно представить в виде кластеров, имеющих площадь и характерный размер, например, Я или> максимальную длину г, речного русла для речного бассейна, площадь поперечного сечения (мидель) летательного аппарата и т.д, Нехитрое, на первый взгляд, геометрическое представление объектов, выявляет глубинную органяческую связь между ними.

Оказалось, что отношения десятичных логарифмов максимальной длины русла 1йЬ и площади водного бассейна 1йА могут быть постоянными (рис.4, а) для характерных географических районов. Постоянно также отношение логарифмов площади миделя 1я Я летательного аппарата «тяжелее воздуха» к его массе М (рис. 4,6).

Эти и многие другие примеры самоподобия привели к возникновению в конце 70-х годов нового научного направления — теории фракталов (теории самоподобия). Фрактальность характерна, как выяснилось, для гауссова <белого» или теплового шума. для размеров пор и проницаемых средах, для земных ландшафтов и рельефов, для судеб людей и т.д., то есть для любых объектов, изучаемых термодинамикой, не исключая, разумеется, и распределения скоростей, импульсов и энергий частиц в термодинамическом рабочем теле (ТРТ), каким модельным мы бы его не представляли (идеальнмй газ, ньютоновская жидкость, абсолютно твердое тело и т.д,). Самоподобие характерно даже для броуновского движения. Здесь надо отметить, что самоподобие как реальное явление впервые было замечено в теории моделирования, но имело другое название — автомодельност ь.

Итак, в термодинамике существует очень удобное скалярное универсальное статистическое понятие «температура», однозначно характеризующее состояние очень сложного статистического ансамбля взаимодействующих частиц, имеющих разные массы, энергии, векторы скоростей и импульсов, различное строение и т.д. Температуру называют микроскопическим парамвпзром состояния ТРТ, причем параметром опытным или феноменологическим.

Такой же статус и у понятия «давлением Энергия, как и температура, и давление относятся к основным фундаментальным понятиям термодинамики. Но, как уже говорилось, понятие «температура» ближе к понятию «энергия» по физическому смыслу. Энергия, как и температура, является центральным понятием термодинамики. Понятие «энергия» составляет основу термодинамики, поэтому некоторые авторы были склонны в 30-х годах, когда термодинамика изучала в основном энергетические процессы в машии, орудиях и кямических процессах, называть ее другим» более универсальным, как они считали, термином «энергетика». Уже тогда были известны процессы, где тепловые факторы играли весьма второстепенную роль, уступая место электрическим, магнитным, химическим и т.д. Слово «термодинамика», а точнее, приставка «термо* им казались анахронизмом, противоречием между всеобщими законами термодинамики и частным «термо», характеризующим лишь тепловые процессы и явления.

Позиция этих авторов вроде бы подкреплялась тем обстоятельством. что все три начала термодинамики говорят об энергии: первое начало — закон сохранения энергии; второе начало — закон обесценивания энергии; третье начало — закон неисчерпаемости энергии (абсолютный нуль температуры недостижим). Более того, за многие годы становления термодинамики сформировались пять термодинамических функций сосгпояция, также имеющих смысл энергии: 1) энтропия Я; 2) внутренняя энергия Ц 3) энтальпия 1; 4) свободная энергия Р; 5) изобарно-изотермный потенциал Я.

На первом месте стоит энтропия ( в переводе с греческого— превращение внутрь себя) она и задает основной смысл термодинамики: любые энергетические превращения в ограниченном изолированном объеме ТРТ рано или поздно закончатся «тепловой смер- тью», то есть примут форму беспорядочного теплового движения молекул. «Парица Мира и ее тень » — так когда-то образно называли энергию и энтропию. На самом же деле все наоборот: царицей известного нам Мира. включая и самые удаленные из доступных для наблюдения объектов Вселенной, является ее величество энтропия, неизменно проявляющаяся во всех энергетических превращениях.

Энергия, бесспорно, является одним из всеобщих факторов движения материи, в том числе и факторов жизни (наиболее сложное проявление движения материи), но важно подчеркнуть, что только одним из ним из факторов. Термодинамика же нужна для изучения всех факторов жизни, включая и материю духа — информационную материю нашего воображения. Кроме энергетики. основными факторами жизни являются еще информатика, технология, транспорт и экология.

Все эти пять взаимосвязанных факторов, а не только энергетику можно исследовать термодинамическими методами, поэтому в методологическом отношении термодинамика значительно шире энергетики как науки Как и любая наука, термодинамика выработала свой формализм, который с практическими потребностями жизни явно не связан. Этот формализм и есть научный базис, который характеризует любую фундаментальную научную дисциплину. Для термодинамики уаким базисом является система доказательств достоверности феноменологических параметров состояния (температуры, давления, магнитной восприимчивости, диэлектрической проницаемости и т.д.) и ряд теорем неравновесной термодинамики, образующих так называемую статистическую термодинамику. у р .