Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные	Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения	Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела
Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки)

ЭНЕРГИЯ ПОЛЕЗНАЯ И БЕСПОЛЕЗНАЯ

д.т.н., проф., Эткин В. А.

Оставьте комментарий

• Энергия и анергия
• Внешняя и внутренняя энергия
• Свободная и связанная энергия
• Эксергия и анергия
• Энергия полезная и бесполезная
• Обсуждение результатов исследований

  Энергия полезная и бесполезная. Аналитическое выражение 1-го начала термодинамики в форме (2) дало основание Дж. К. Максвеллу определить энергию как сумму всех действий, которые может произвести система над окружающей средой. Общей мерой такого действия является, как известно, работа. Однако в классической термодинамике закрытых систем теплота и работа – качественно различные способы подвода энергии [5]. Принято считать, что совершенная над системой работа «может непосредственно пойти на увеличение любой формы ее энергии, в то время как теплота – только на пополнение внутренней энергии» [3]. Поэтому точка зрения Максвелла, относящая теплообмен к своего рода «микроработе», не получила распространения. Между тем именно здесь открывается возможность вернуться к изначальному пониманию энергии как меры работоспособности системы. Для этого необходимо лишь обобщить понятие работы.

  Дадим наиболее общее определение работы как количественной меры процесса, связанного с преодолением каких-либо сил F. Силы имеют различную (i-ю) природу и соответственно подразделяются на механические, термические, химические, электрические, магнитные, гравитационные и т.п. Мы будем обозначать их через . Различают и силы массовые, объемные, поверхностные и т.п. – в зависимости от того, какой количественной мере θi объекта ее приложения они пропорциональны (массе M, объему V, поверхности f и т.д.). К параметрам можно отнести и заряд , энтропию S, импульс Mv и т.д. Эти параметры – величины экстенсивные, т.е. – значение параметра для одной частицы k-го рода, являющейся носителем данной формы энергии (в дальнейшем для краткости – энергоносителем).

  В общем случае силы i-й природы действуют на любую k-ю частицу, образующую данный иерархический уровень строения материи (ядра, атомы, молекулы, клетки и т.п.). Обозначив эту «элементарную» силу через , результирующую силу , действующую на все частицы данного рода, найдем как сумму . Эти силы можно подразделять на внешние и внутренние в зависимости от того, действуют ли они между частицами системы или между системой и окружающей средой.

  Этих общих соображений достаточно, чтобы установить существование двух категорий работ, отличающихся наличием или отсутствием результирующей преодолеваемых сил. Рассмотрим случай, когда элементарные силы вызывают смещение одного знака у объектов её приложения, т.е. работа носит упорядоченный, направленный характер. В таком случае , и силы имеют результирующую даже в однородных системах. Такова, например, работа ускорения системы как целого. Такой же упорядоченный характер носит работа над неоднородной системой, когда силы приложены к подсистемам с противоположным знаком какого-либо свойства , например, к положительным и отрицательным зарядам, северным и южным полюсам магнитных диполей, электронам и дыркам в металлах, областям с пониженной и повышенной (по сравнению со средней) плотностью параметра и т.п. Такого рода полезная работа совершается при поляризации диэлектриков и магнетиков, диссоциации и ионизации газов, растяжении стержня, перераспределении зарядов, веществ, импульсов и энтропии между частями изначально однородной системы. Разбивая для такого случая сумму на две части, имеющие одинаковый знак величин и , снова получим отличную от нуля результирующую силу . Работу такого рода называют обычно полезной .

  другой характер приобретает работа, когда объект приложения силы движется или ориентирован хаотично. Представим силу в виде произведения её модуля и единичного вектора , характеризующего направление силы: . В таком случае так что наличие результирующей зависит как от величины элементарных сил , так и от их направления. В случае однородных систем (где повсеместно одинаково), вынося их за знак суммы, найдем, что наличие результирующей зависит исключительно от направления элементарных сил и при их хаотической направленности равна нулю. Силы , ориентированные хаотично, называют обычно силами рассеяния, а работу против таких сил – диссипативной Совершение такой работы вызывает нагрев системы, деструкцию вещества и другие явления. Именно к такого рода работе следует отнести и микроработу, сопровождающую теплообмен. Диссипативная работа напоминает «Сизифов труд» по поднятию на гору валунов, которые тут же скатывались назад, и в этом смысле бесполезна.

  Результирующая будет отсутствовать и в том случае, если силы упорядочены, однако вызванные ими перемещения взаимно компенсируются. Покажем, например, что работа всестороннего расширения относятся к той же категории воздействий, не имеющих результирующей, что и обратимый теплообмен. Рассматривая локальное давление p как силу p, действующую на элемент поверхности в направлении нормали n, на основании теоремы о дивергенции находим, что равнодействующая сил давления в отсутствие градиентов давления равна нулю:

  Таким образом, работа всестороннего расширения не связана с преодолением результирующей сил давления. К этой же категории относится работа равномерного ввода в систему вещества, заряда и т.п., поскольку это и не нарушает внутреннего равновесия в системе. Поскольку же однородная (внутренне равновесная) система сама по себе не может совершать полезной работы (об этом ниже) есть основание назвать эту работу и диссипативной (бесполезной). Отметим, однако, что по отношению к «расширенной» системе, включающей окружающую среду – источник вещества или заряда, эта работа становится уже полезной, поскольку нарушает равновесие в ней. Заметим и, что несмотря на отсутствие результирующей силы сумма модулей элементарных сил при совершении дисспативной работы имеет конечную величину. В дальнейшем это позволяет ввести понятие обобщенного потенциала . Такими потенциалами являются, в частности, абсолютная температура T и давление p, а и потенциалы.

  Таким образом, мы имеем возможность различать полезную и диссипативную работу по тому, имеют ли преодолеваемые силы результирующую , или нет. Полезная работа, совершаемая над какой-либо совокупностью взаимодействующих (взаимно движущихся) тел или частей тела, с необходимостью нарушает равновесие в такой системе, даже если процессы квазистатичны (бесконечно медленны). Она отличается тем, что приводит к противоположным по характеру изменениям состояния в этих подсистемах: к появлению разноименных зарядов или полюсов, противоположному по направлению смещению различных частей тела, повышению температуры, давления, концентрации каких-либо веществ и т.п. в одних частях системы, и понижению их – в других. Однако эта работа совершается против тех же сил , что и диссипативная работа.

  Чтобы окончательно убедиться в единстве природы сил, преодолеваемых при совершении полезной и диссипативной работы, полезно представить энергию U как функцию определенного числа координат состояния векторной природы - радиус-вектор центра величины в выбранной системе отсчета [7]. Эти параметры были названы нами ранее «моментами распределения» (энтропии, k-x веществ, объема, заряда, импульса и т.п.) [7]. Количество таких независимых координат определяет число форм энергии, которыми обладает система. В таком случае энергия U как функция состояния имеет вид а её полный дифференциал определяется выражением:

  Представляя в виде суммы , слагаемые которой найдены в условиях соответственно вместо (8) можно написать:

  Учитывая, что производные представляют собой соответственно обобщенные потенциалы и силы в их обычном (ньютоновском) понимании, приходим к основному уравнению термодинамики неравновесных систем в виде тождества [7]:

где члены первой суммы в обратимых условиях характеризуют «бесполезную» работу (внешний теплообмен работу всестороннего сжатия - энергомассообмен , работу ввода электрического заряда (φ – электрический потенциал) и т.п.), а члены второй суммы – полезную внешнюю работу i-го рода, совершаемую системой:

  Таким образом, члены первой и второй сумм (10) – две независимые категории работ, связанные с преодолением сил одной и той же i-й природы. Качественное различие этих процессов заключается в том, что в результате совершения полезной работы система отклоняется от внутреннего равновесия и приобретает способность к преобразованию энергии из одной её формы в другие (в том числе и в тепловую). Таким образом, главная особенность полезной работы состоит в том, что она является количественной мерой процесса энергопревращения [7].

  В отличие от неё, диссипативная работа вызывает одинаковые по характеру и величине изменения состояния (параметров ) в различных частях системы (равномерное повышение или понижение температур (энтропии), давлений (плотностей), масс (концентраций), и т.п.). Такую же аналитическую форму представления имеют работа ввода электрического заряда, теплота трения, теплоты фазовых переходов и гомогенных химических реакций. Хотя каждый элементарный акт совершения диссипативной работы по-прежнему носит векторный характер, вызывая элементарное смещение каждой k-й частицы в отдельности , результирующая сила отсутствует и в этом случае. Это роднит работу ввода с работой против сил трения (рассеяния). Общий их признак – скаляризация процесса, т.е. утрата процессом совершения работы его направленного характера с переходом от микроуровня к макроуровню. При этом для системы в целом:

  Главным отличительным признаком диссипативной работы является то, что она не нарушает равновесия в системе, и, следовательно, не влияет на ее способность в последующем совершать полезную внешнюю или внутреннюю работу. Поэтому ее можно определить как количественную меру процесса энергопереноса (переноса энергии без изменения её формы). Поскольку на микроуровне диссипативная работа и носит направленный характер, ничем не отличаясь от полезной работы, теплообмен и можно отнести к своего рода «микроработе».

  Как видим, наличие или отсутствие результирующей несет глубокий физический смысл, указывая на то, что суть дела не в форме подвода энергии к системе, а в форме ее восприятия системой. В частности, нарушить внутреннее термическое равновесие в системе можно, охлаждая часть системы путем теплообмена. Однако в результате этого система приобретет способность совершать полезную работу, ибо в ее составе появится теплоисточник и теплоприемник. В итоге мы увеличили работоспособность системы, уменьшив ее энергию.

  Таким образом, мы приходим к необходимости различать в составе энергии системы ее полезную (превратимую, работоспособную, неравновесную) часть, и бесполезную (непревратимую, неработоспособную, равновесную) часть. Было бы целесообразно называть для краткости первую (за неимением более подходящих терминов) инергией (от греческого - внутреннее, – действие), что в переводе означает «внутренняя способность к действию», а вторую (вслед за Рантом) анергией .

  Выделить инергию как функцию состояния можно по известным полям потенциала неоднородной системы по разности между «среднеэнергетическим» значением этого потенциала и его среднемассовой величиной :

  Как функция состояния инергия обладает целым рядом преимуществ. Прежде всего, она является более общим понятием, нежели внешняя энергия, поскольку отлична от нуля и для изолированных (замкнутых) систем. Далее, в отличие от свободной энергии Гиббса или Гельмгольца, инергия является более информативной функцией работоспособности, поскольку ее убыль - может быть найдена для каждого конкретного процесса (как произведение движущей силы процесса на изменение его координаты ):

  Наконец, в отличие от эксергии инергия окружающей среды отлична от нуля, если последняя не находится во внутреннем равновесии. Это позволяет оценивать работоспособность самой окружающей среды, в частности, возбужденного физического вакуума. Для неоднородной системы отношение инергии к энергии системы характеризует степень превратимости энергии в ней и может служить мерой её упорядоченности в целом. Это позволяет отразить с помощью инергии качественные изменения энергии в изолированных системах, где инергия понижается вследствие совершения внутренней работы диссипативного характера и, как следствие - обесценения (девальвации) энергии1). Благодаря этому 1-е и 2-е начала термодинамики можно объединить в одно простое и понятное утверждение: «При протекании самопроизвольных процессов в изолированных системах работоспособная часть ее энергии (инергия) превращается в неработоспособную (анергию); при этом их сумма сохраняется».

  Если рассматриваемая система является энергопреобразующей (осуществляет преобразование энергии), инергия позволяет ввести понятие инергетического как отношение инергии на выходе установки к инергии, поданной на ее вход :

  Этот показатель совершенства преобразователей энергии применим к тепловым и нетепловым, открытым и закрытым циклическим и нециклическим, прямым и обратным машинам.

  Все это делает инергию весьма гибким и удобным инструментом термодинамического анализа неравновесных систем.

Версия для печати
Автор: д.т.н., проф., Эткин В.А.
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 15.08.2004гг

НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ
	Технология изготовления универсальных муфт для бесварочного, безрезьбового, бесфлянцевого соединения отрезков труб в трубопроводах высокого давления (имеется видео)
	Технология очистки нефти и нефтепродуктов
	О возможности перемещения замкнутой механической системы за счёт внутренних сил
	Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналох
	Взаимосвязь между квантовой и классической механикой
	Миллиметровые волны в медицине. Новый взгляд. ММВ терапия
	Магнитный двигатель
	Источник тепла на базе нососных агрегатов