УДК    531.1 : 532.5 : 534 : 536 : 536.2 : 536.75 : 538.3 : 541.1 : 621.1

ББК     22.3

             Э 89

             Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии). - СПб.: Наука, 2008. - 409 с.

             ISBN 978-5-02-025318-6

В монографии предложен системный подход к интеграции наук на основе единой термодинамической (безгипотезной) теории скорости процессов переноса и преобразования любых форм энергии независимо от их принадлежности к той или иной области знания. Теория, названная для краткости энергодинамикой, базируется на введении дополнительных параметров пространственной неоднородности, позволяющих перейти к изучению части через целое и рассматривать объекты с любым конечным числом степеней свободы вплоть до изолированных систем. Обобщая классический термодинамический метод характеристических функций на пространственно неоднородные и локально неравновесные системы, она позволяет осуществить синтез равновесной и неравновесной термодинамики, классической и квантовой механики, теории теплообмена и массообмена, гидродинамики и электродинамики. При этом важнейшие принципы, законы и уравнения этих дисциплин получены дедуктивным путем как логические и математические следствия энергодинамики. Значительное внимание уделено в книге устранению ряда паралогизмов термодинамики, обусловленных ее необоснованной экстраполяцией, и анализу нетривиальных результатов, полученных практически в каждой области приложения энергодинамики. 

Книга ориентирована на широкий круг читателей, интересующихся базовыми концепциями современного естествознания, явлениями на стыках наук, проблемами эволюции и альтернативной энергетикой. Она может быть полезной также для специалистов, заинтересованных в поиске путей преодоления современного кризиса теоретической физики, в укреплении концептуальной базы естествознания, в междисциплинарной подготовке студентов и интеграции знаний.

         Примечание: Книга издана при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и отмечена присуждением её автору Европейской Академией Естественных наук памятной медали Лейбница.

Светлой памяти
Александра Адольфовича Гухмана
- 'некоронованного короля термодинамики' -
посвящается

Etkin, V.A. Energodynamics (Synthesis of Energy Transfer and Conversion Theories). SPb.: Nauka, 2008, 409 pp.

The monograph offers a system approach to the integration of sciences based on a unitary thermodynamic (non-hypothetic) theory of transfer and conversion rate of energy in any forms regardless of the field of knowledge these processes belong to. The theory termed for short energodynamics is based on introducing additional parameters of spatial heterogeneity enabling studying a part through the whole and considering objects with any final degrees of freedom up to isolated systems. Generalizing the classic thermodynamic method of characteristic functions to systems spatially heterogeneous and locally non-equilibrium this theory enables synthesis of equilibrium and non-equilibrium thermodynamics, classic and quantum mechanics, heat exchange and mass exchange theories, hydrodynamics and electrodynamics. In this approach the fundamental principles, laws and equations of these disciplines have been obtained by deductive method as logical and mathematical consequences of energodynamics. High emphasis is placed in this book on eliminating a number of paralogisms of thermodynamics caused by its ungrounded extrapolation and on analyzing non-trivial results obtained in practically every field energodynamics applies to.

            The book is directed toward a wide audience being interested in fundamental conceptions of present-day natural science, phenomena on the interface between sciences, problems of evolution and alternative power engineering. It may be useful also for specialists keen-set for searching ways to overcome the present-day crisis of theoretical physics, for strengthening the conceptual basis of natural science, for interdisciplinary schooling of students and the knowledge integration.

The edition is sponsored by the Russian Fund of Fundamental Studies

Неизбежна критика классических теорий, однако это отнюдь не означает принижения велико­леп­ных достижений мастеров науки, чья интуиция вывела нас на правильный путь - нужно только отмести в сторону мусор, который не отваживалась удалить наша чересчур почтительная традиционость.

Макс Борн

Для решения проблем, возникающих на стыках фундаментальных наук, необходима теория, позволяющая единым образом описать физические, химические, биологические, астрофизические и тому подобные свойства и формы движения материального мира. Самые большие научные достижения прошлого были шагами к этой цели. К ним можно отнести объединение земной и небесной механики И. Ньютоном в XVII в., оптики с теорией электричества и магнетизма Д. К. Максвеллом в XIX в, химии и атомной физики в квантовой механике 20 столетия. Значительным шагом на этом пути стало создание теории элементарных частиц и сил, известной как Стандартная Модель, и объединение электромагне­тизма со слабыми взаимодейст­виями.

Однако попытки создания единой теории всех взаимодействий сопровождается нарастанием негативных тенденций в развитии фундаментальных наук. В этих условиях представляется целесообразным обратиться к термодинамике, о которой А.Эйнштейн отозвался как о 'един­ственной физической теории общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута (к особому сведению принци­пиальных скептиков)'. Главным достоинством термодинамики всегда было получение огромного множества следствий, относящихся к различным явлениям, на основе небольшого числа первичных принципов (начал), отсутствие необходимости в модельных представлениях о микроструктуре вещества и молекулярном механизме явлений, и, наконец, непреложная справедливость ее следствий. За эти свойства классическую термодинамику издавна называют 'королевой наук'. Как справедливо отмечал М. Планк, 'это замечательная научная система, детали которой ни по красоте, ни по блестящей законченности не уступают всей системе в целом'. Мощь термодинамического (феноменологического в своей основе) метода общеизвестна. В ХХ столетии это еще раз проявилось при создании термохимии (В. Нернст, 1929 и др.), биофизики (Паттон А., 1964 и др.), феноменологической теории сверхтекучести (Л. Ландау, 1941), сверхпроводимости (Л. Ландау, В. Гинзбург, 1950) и теории необратимых процессов (Л. Онсагер, 1933, И. Пригожин, 1960 и др.). Как подчеркнул в своей нобелевской лекции И. Пригожин (1978), термодинамические концепции призваны сыграть все возрастающую роль в современном естествознании.

Настоящая книга ставит своей целью обобщение термодинамики и создание на ее основе энергодинамики[1] - фундаментальной дисциплины, изучающей общие закономерности реальных (протекающих с конечной скоростью) процессов переноса и преобразования любых форм энергии независимо от их принадлежности к той или иной области знания. Эта теория призвана 'перекинуть мостик' между отдельными естественнонаучными дисциплинами и дать дедуктивное обоснование их основных принципов и законов как следствий единой теории в ее приложении к системам, обладающим тем или иным набором степеней свободы. В таком случае энергодинамика 'вырождается' по мере исчезновения некоторых степеней свободы в электродинамику и механику сплошных сред, биохимию и биофизику, гидроаэродинамику и теорию тепломассообмена, классическую термодинамику и механику твердого тела и, в конечном счете, в кинематику точки. Такое (дедуктивное) построение фундаментальных дисциплин приводит, как будет показано далее, к целому ряду нетривиальных следствий практически в каждой области приложения энергодинамики.

Известно, что теоретическая физика как фундамент современного естествознания может быть построена из условия однородности и изотропности времени и пространства (Л. Ландау, Е. Лившиц, 1940...2004). Однако сами эти условия вытекают из принципа наименьшего действия (E. Noether, 1918), который также нуждается в обосновании. Поэтому при построении безгипотезной дисциплины, каковой по замыслу является энергодинамика, такой подход не может быть положен в основу. В соответствии с этим мы будем базироваться исключительно на тех положениях, которые не требуют дополнительной экспериментальной проверки.

Предлагаемая читателю книга состоит из нескольких частей. В первой части 'Безгипотезное построение теории' (главы 1 и 2) раскрываются особенности энергодинамики как последовательно феноменологической (т.е. опирающейся исключительно на опыт) и дедуктивной (т.е. придерживающейся системного подхода) научной дисциплины, изучающей разнообразные физико - химические, биофизические, космологические и т.п. явления путем сведéния их к процессам переноса и преобразования различных форм энергии. В этом разделе дается обоснование целесообразности построения энергодинамики на максимально общей понятийной и концептуальной основе, которой не чужды идеи переноса и необратимости, а также понятия скорости и производительности реальных процессов. При этом обосновывается необходимость расширения пространства переменных для адекватного описания свойств континуальных сред термодинамическими методами, и предлагается простой способ перехода от описания поведения каждого элемента континуума к параметрам системы в целом. Он связан с введением специфических параметров неоднородности систем в целом, определяемых на основе полей термостатических переменных.

Важнейшей особенностью предлагаемого подхода к построению энергодинамики является исключение из ее оснований каких-либо гипотез или постулатов и отказ от идеализации процессов и систем вне рамок их условий однозначности. Такой подход позволил вернуть энергии ее простой и ясный изначальный смысл способности системы к совершению работы. Последующее деление энергии на упорядоченную и неупорядоченную части и введение характеристических функций, выражающихся различными группами параметров неравновесных систем, дает не только количественную, но и качественную характеристику упорядоченности и превратимости различных форм энергии. Обобщение термодинамического метода потенциалов позволило развить математический аппарат энергодинамики, в равной мере пригодный к исследованию реальных процессов с любой степенью необратимости. Особенностью этого аппарата является то, что он привлекает конкретные данные о свойствах исследуемых систем только на заключительной стадии их исследования, и только в качестве своего рода условий однозначности. Это позволяет сохранить основное достоинство термодинамического метода - непреложную справедливость его следствий в пределах применимости указанных условий однозначности. Последующее применение этого метода к различным научным дисциплинам подтверждает уникальность и эвристическую ценность такого подхода.

Во второй части 'Фундаментальные дисциплины как следствие энергодинамики (главы 3...8) дается дедуктивное обоснование важнейших принципов, законов и уравнений ряда фундаментальных дисциплин (класссической и квантовой механики, равновесной и неравновесной термодинамики, теории тепло-и массообмена, гидро-и аэродинамики, электростатики и электродинамики) как следствий энергодинамики. При этом значительное внимание уделяется анализу тех допущений, которые были изначально заложены в их основание, и выводу их основных уравнений в их отсутствие. Следствием такого (дедуктивного) подхода к построению этих дисциплин явилась возможность получения их важнейших результатов кратчайшим путем, свободным от исторических наслоений, гипотез, постулатов, модельных представлений и соображений молекулярно - кинетического или статистико - механического характера. В механике такими результатами стало обоснование принципа наименьшего принуждения, вывод всех законов Ньютона (включая его закон тяготения) и дальнейшее обобщение всех ее принципов. В квантовой механике таким путем удалось получить важнейшие положения теории на детерминистской основе. В термодинамике это выразилось в обобщении принципа исключенного вечного двигателя на нетепловые и нециклические машины, в нахождении точных аналитических выражений теплоты и работы в неравновесных системах и расширении границ применимости классического термодинамического метода потенциалов. В неравновесной термодинамике такой подход выявил несостоятельность многих положений существующей 'квазитермодинамической' теории необратимых процессов и дать последовательно термодинамическое (не опирающееся на гипотезы, постулаты и соображения статистико-механического характера) обоснование всех ее положений, расширить эту теорию на нелинейные системы и состояния, далекие от равновесия, и распространить ее на процессы полезного преобразования энергии в тепловых и нетепловых машинах. В электростатике и электродинамике такой подход позволил дать термодинамический вывод уравнений Максвелла, дополнив их конвективными составляющими токов смещения, обосновать и обобщить законы Кулона и Ома, уточнить закон запаздывания потенциала и дать раздельное описание потоков энергии электрического и магнитного поля.

Однако наиболее ценным результатом этого раздела следует считать возможность методологически единого изложения всех упомянутых дисциплин как следствий энергодинамики, что является весомым вкладом в формирование концептуальных основ современного естествознания.

В третьей части монографии 'Негативные последствия экстраполяции термодинамики' (главы 9...13) обнажаются противоречия, возникшие в термодинамике вследствие необоснованной ее экстраполяции за пределы справедливости их базовых концепций. К ним относятся, в частности, вывод о неизбежном 'скачке' энтропии при смешении невзаимодействующих и сколь угодно мало различимых газов (парадокс Гиббса); возникновение термодинамических неравенств при переходе к необратимым процессам; вывод о нарушении принципа исключенного вечного двигателя 2-го рода в открытых, спиновых, релятивистских и т.п. системах; распространение запрета на использование тепла окружающей среды на процессы преобразования энергии в открытых системах; заключение о диссипативном характере любых самопроизвольных процессов; теория 'тепловой смерти Вселенной', применение релятивистских преобразований к абсолютным величинам, введение отрицательной абсолютной температуры, подмена термодинамической энтропии статистико-информационной, отрицание преемственности квантовой механики по отношению к классической, признание исключительности законов преобразования теплоты, попытки применения теории необратимых процессов к обратимым биологическим процессам и т.д. Здесь показывается, что подобные выводы являются в действительности паралогизмами - ошибочными заключениями, выглядящими правдоподобными в отсутствие экспериментальной проверки полученных выводов. При этом в каждом случае вскрываются истоки возникших трудностей и указывается способ их преодоления с позиций энергодинамики. Такой подход позволяет возвратить термодинамике утраченный ею статус теории, следствия которой имеют характер непреложных истин.

В последней, четвертой части книги 'Нетривиальные следствия энергодинамики' (главы 14...22) излагаются новые результаты, полученные в ряде фундаментальных дисциплин благодаря расширению возможностей термодинамического метода. Среди них - теория подобия процессов энергопревращения, обобщающая теорию тепловых машин на нетепловые и нециклические двигатели (в том числе мускульные движители биоорганизмов); теория производительности технических систем, объединяющая термодинамику с 'термоэкономикой' и 'термодинамикой при конечном времени', теория нелинейных процессов переноса, расширяющая сферу применимости теории необратимых процессов на системы, далекие от равновесия; теория самоорганизации биологических, экологических и космологических систем, обнаруживающая существование в них самопроизвольных антидиссипативных процессов, и, наконец, теория 'альтернаторов', т.е. нетепловых двигателей, использующих полевые формы энергии и расширяющих перспективы создания 'бестопливной' энергетики.

В физической химии таким путем удалось вскрыть векторную природу обратимых химических реакций, объясняющую их сопряжение с процессами метаболизма и вскрыть природу периодического изменения свойств элементов. В неравновесной термодинамике такими результатами стало обобщение существующей теории необратимых процессов переноса на состояния вдали от равновесия некоторые классы нелинейных систем. В механике новыми результатами стало обоснование принципа наименьшего принуждения, теоретический вывод закона тяготения Ньютона и дальнейшее обобщение всех трех принципов созданной им механики. В квантовой механике таким путем удалось получить важнейшие положения теории на детерминистской основе, дополнив их расчетом электронных орбит. В электростатике и электродинамике такой подход позволил обобщить законы Кулона и Ома и вывести уравнения Максвелла, дополнив их конвективными составляющими токов смещения.

В заключение автор считает своим долгом почтить светлую память заслуженных деятелей науки и техники РФ, д-ра физ.-мат. наук А. А. Гухмана и д-ра техн. наук А. И. Андрющенко, привившим в своем ученике любовь к термодинамике и стремление совершенствовать ее.