Авиационная и ракетно-космическая теплотехника. Введение в специальность Бурдаков В.П., страница 4

С пе фундаментальность термодинамики доказывается огромным количеством ее практических приложений, каждое из которых порождает как бы новую научную дисциплину: техническую термодинамику, химическую термодинамику, термодинамику биологических процессов и т.д. С другой стороны, этапы развития термодинамики были настолько важны в научном отношении, что также дали наз и название как бы самостоятельным научным дисциплинам: классическая термодинамика, термосгпатика, гпермокинегпика, твом и од мимика неравновесных процессов, нелинейная термодинамика, теория информации, теория самоорганизации и т.д.

И тем не менее, характерная черта термодинамики, отличающая ее от остальных научных дисциплин — ее конкретная практическая ш (прикладная) направленность, ибо термодинамика — единственная научная дисцяплина, позволяющая количественно определить эффективность (в русско-язычной транскрипции — коэффициент полезного дейсщвия, или КПД) самых разнообразных процессов, начиная от рабочих процессов, происходящих в тепловых двигателях, в атомных и других электростанциях, сложнейших информационных, технологических, транспортных процессов в технических или инженерных системах и кончая жизненными и общественными процессами, включая процессы самоорганизации, образования структур, оптимизации действия и т.д, Все происходящие на наших глазах процессы можно разделить на природные, идущие независимо от нас, и энтропогенные, вызванные деятельностью людей, в том числе многочисленные техногенные процессы.

К первым относят процессы формирования и жизни космических тем и планет, включая извержения вулканов, землетрясения, тайфуны н т.д., то есть геологические, атмосферные и гидросферные эволюционные и катастрофичесКие процессы на планетах, а также процессы в звездах, в галактиках и во Вселенной в целом. Возникновение разнообразных форм жизни, в том числе и появление «человека разумного» вЂ” это также природный процесс.

А вот появление термодинамики, других наук, строительство сооружений, создание самолетов и ракет, сельскохозяйственного производства, добыча полезных ископаемых, радиоактивное загрязнение и т.д,— процессы энтропогенные. Размножение же людей ( а их количество на Земле приближается к 6 млрд.

человек), экспансия территоряй, вытеснение илн уничтожЕние других форм жизни, все возрастающее потребление кислорода воздуха и других ресурсов относят к смешанным природно-энтропогенным процессам, регулирование которых необходимо, хоть и затруднено биологическими природными потребностями. Возникает целый класс экологических проблем, то есть проблем сосуществования природы и общества в нашем общем доме — на Земле. В переводе с греческого слово «экология» как раз и означает домоведение и может быть интерпретировано как глобальное землеведение. Все перечисленные процессы могут исследоваться логически (качественно, описательно или словесно), то есть методами общественных наук, а также количественно, то есть методами естественных (точных) и методами технических (прикладных) наук.

Термодинамика может быть отнесена и к естественным наукам, поскольку 18 является частью теоретической физики, и к техническим, поскольку «умеет» определять эффективность нлн КПД технических процессов. Это последнее обстоятельство и является решающям в причислении термодинамики к техническим наукам.

Все Х1Х столетие, которое называют «веком пара», золотым веком человечества, веком технических революций, прошло под знаменем термодинамики. Сади Карно (1796-1832) — французский инженер, опубликовавший в 1824 г. основополагающий труд об эффективности тепловых машин: «Размышление о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», которым, по сути дела, были заложены основы термодинамики (первое н второе начала, идеальный цикл тепловых машин, основные понятия), отметил, что общая эффективность машин должна определяться не только ее тепловым КПД преобразования теплоты в движущую силу (то есть работу), но и положительным влиянием на развитие цивилизации в целом, включая факторы, которые мы сейчас называЕм экологическими.

Работа молодого ученого вызвала в научном мире настоящую сенсацию, но спустя целых десять лет, а до того оставалась никем не замеченной. «Открыл» С.Карно в 1834 г. Б. Клапейрон, который с<перевел» его труд на язык математики и попутно предложил вытекающий из его идей метод циклов («Мемуар о движущей силе теплоты»). И, надо сказать, термодинамика изобилует подобными драмами вплоть до наших дней. Немецкий корабельный врач Юлиус Майер (1814-1878), опубликовавший в 28 лет (как н С. Карно) свое первое капитальное исследование о законе сохранения энергии, подвергся публичному осмеянию.

И лишь в 1869 г., то есть через 27 лет после выхода в свет своего труда, получил всеобщее признание и мировую известность. По этому поводу известный японский термодинамик Р.Кубо писал: «Майер был первым, кому удалось придти к этому закону, и последним, чья деятельность была признана». Вообще надо сказать, что в начале нашего века российская школа термодинамики занимала одно из ведущих мест в мире, в то время как сейчас, в период расцвета этой науки,мы фактически сдали все позиции. Из 25000 томов по термодинамике, изданных в ХХ веке, на нашу страну приходится едва ли несколько десятков книг, да и то в основном учебного содержания.

Уместен и другой вопрос: не в этом ли причина нашего отставания от США и других стран в эффективности использования хотя бы энергии? Ведь американская ~э промышленность, производя продукции в два с лишним раза больше нашей (речь идет «о доперестроечном» периоде, когда мы были еще конкурентоспособными), затрачивает электроэнергии в 2,2 раза меньше! Термодинамика — наука не для всех. Многие ее современные достижения, а тем более —,идеи и гипотезы, могут быть не поняты даже знатоками предмета — настолько он всеобъемлющ и перспективен. Взять хотя бы «логические» числа четыре и пять, а также кратные им. Мы уже говорили о пяти энергетических функциях в термодинамике.

Не прослеживается ли здесь какой-либо связи с пятью жизненными потребностями'(энергетика, информатика, технология, транспорт, экология)2 Почему у человека ( да и у многих животных) пять конечностей7 А на конечностях пять пальцев (на руках и ногах) или пять органов чувств (в основном, на голове)7 Не являются ли пальцы рудиментарными органами чувств2 Ведь Роза Кулешова видела именно пальцами! А пять мозговых ритмов7 А способность комплексно решать жизненно важные термодинамические задачи по связи потоков г1 и термодинамических сил Х не выше пятой степени: 11=~ Ь1Х?, где 1=1,2...„5; /=1,2,...,57 Здесь г.г — линейные коэффициенты свяэи, хранящиеся в памяти человека или искусственно им воссоздаваемые., Не так давно было выяснено, что пространство состояний Гиббса обладают всего лишь двумя тицами феноменологической симметрии: четвертого ранга с симметричной матрицей и плтого ранга с антисимметричной матрицей Не означает лн это, что все устойчивые организмы„если они функционируют по известным нам законам природы, причем независимо от того — живут они на Земле или в других Галактиках— должны иметь одинаковые возможности как в смысле своего строения, так и в смысле адаптации к изменяющимся внешним условиям? Таким образом, вероятный термодинамический пароль Нресноа Е.В., Малыгин С.Н.

Аксвоыетричсскла модели фавоысиологачсскоя термоллкаыкклзутсрыолклаыака и киваткка Влологичасккк лроцассоа.-мспаука, 1980 20 существования всех устойчивых организмов — числа четыре и пять, определяющие их самоподобие (фрактальность). Не случайно, по-видимому, этому правилу следует большинство известных представителей растительного и животного мира. А вот как объяснить, что летательные аппараты, то есть чисто техногенные и, по-видимому, не очень устойчивые в веках изделия, также следуют этому принципу? Ведь, как правило, ракета имеет четыре, а самолет — пять «конечностей»! Есть ли здесь какая-либо термодинамическая связь с биологическим строением создателей этой техники — людьми — пока не известно.

Но это, как говорится, передний край науки. Логически же еще К.Маркс отмечал, что все созданное человеком есть продолжение его тела. В целом же эффективность общественных и жизненных процессов, а также эффективность машин, механизмов, всего энергетического хозяйства страны, включая производство продух ов питания, ее информационной сети, транспортной службы, которая включает авиацию и космонавтику, технологии и экологии, определяется не отдельными достижениямн, а массовой термодинамической культурой, — прежде всего, передовых слоев общества, получивших высшее образование, е она, к солсалению, у нас еще довольно низка.

Наша задача — совместно со студентами-теплофизиками, избравшими термодинамику магистральной дорогой своего совершенствования, — устранить этот порок нашей цивилизации. 1.3. Хроника системотехники от Вселенной до человека В 340 г. до н.э. греческий философ Аристотель в своей книге «О небе» впервые научно доказывает, что Земля не плоская, а сферическая, поскольку уже тогда была известна природа лунных затмений, и тень Земли на Луне свидетельствовала о ее круглой форме. С другой стороны, положение Полярной звезды над горизонтом в Греции и ии и Египте было разным и также соответствовало сферичности Земли.

Во втором веке нашей эры египетский ученый Птолемей развил учение Аристотеля о неподвижной Земле в качестве центра мироздания. Возникла стройная космологическая модель: вокруг Земли расположены сферы семи видимых подвижных светил: Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера, Сатурна и сфера непод- 21 вижных звезд. Возникло эзотерическое (мистическое) число семь, под которое подстраивали все наблюдаемые, либо директяруемые явления и процессы (семь цветов радуги, семь звуков музыкальной гаммы. семь дней недели и т.д.). Число семь вошло в многочисленные поговорки. культурные ритуары в живопись и искусство.

Место Творца (Бога) теперь было не на облаках и не на горе Олимп, а за сферой неподвижных звезд. Теория Птолемея просуществовала до 1514 г, пока не появилась гелиоцентрическая система мира. Автор этой системы, польский священник Н.Коперник, доказывал, что неподвижным является Солнце, а планеты вращаются вокруг него по круговым орбитам. В 1609 г. итальянец Г,Галилей изобрел телескоп-рефрактор и с его помощью обнаружил спутники Юпитера, подтвердив идею Коперника о том, что Земля не является центром мира.

В том же самом году И.Кеплер ввел в науку понятие энергия и гипотезу об эллинтичности планетных орбит. Он считал, что планеты удерживаются на своих орбитах из-за равенства центробежных сил и сил притяжения. Последние, по его мнению, имели магнитную природу.