книги / Общая термодинамика.-1

1.2.Своеобразие сложившейся на сегодняшний день ситуации в этой научной области, оказавшей громадное влияние на многие смежные, состоит в том, что явления эти происходят в некоторой совокупности некоторого рода материальных объектов, зачастую обозначаемых на схематических изображениях систем точками или условными значками. Одно лишь очевидно: термодинамическая си­ стема является материальным объектом, отделенным от прочего материального же мира некоторой границей (реальной или гипоте­ тической).

Вопрос о природе материального объекта, называемого термо­ динамической системой, до сих пор должного разрешения не полу­ чил. Обычно предполагается, что материальный объект термодина­ мической системы имеет атомно-молекулярную природу, что, од­ нако, вызывает непреодолимые трудности при рассмотрении био­ логических и информационных систем. Вместе с тем не определяет­ ся, что термодинамический материальный объект обязательно име­ ет некоторую структуру, т. е. он структурен и именно поэтому на схемах представляется определенной совокупностью точек или ус­ ловных значков.

1.3.Вся сложность с определением термодинамической системы начинается с определения частиц и их взаимоотношений друг с дру­ гом. Это положение имеет давнюю историю. «Человеку, которому отмерена лишь крохотная частица во времени, тянувшемуся в веч­ ность в прошлом и будущем и нога которого может подняться лишь на ничтожное расстояние, отведены и в научном познании естествен­ ные границы как в направлении бесконечно большого, так и в на­ правлении бесконечно малого. Вопрос же об атомах заставляет нас, как мне кажется, переступать эти границы, и поэтому я считаю его лишенным всякого практического значения. Атом сам по себе, как и дифференциал, не может стать предметом нашего исследования».

Странно, может быть, сегодня вновь перечитывать эти слова, принадлежащие перу первооткрывателя первого начала термодина­ мики Роберту Майеру (1841 г.). Ведь он был современником тво­ ривших после Авогадро (атомно-молекулярную теорию Авогадро опубликовал в 1811 г.) Берцелиуса, Дэви, Каниццарро и, что нема­ ловажно, петербургского профессора Гесса, открывшего в 1840 г. закон постоянства количества теплоты химической реакции, кото­ рый весьма созвучен открытию Майера.

Видимо, систему частиц, даже такую, как сосуд с газом, пред­ ставить не так уж просто (собственно говоря, Майеру для постули­

рования первого начала и не обязательно было знать строение ве­ щества).

1.4. Сложен был многовековой путь атомистики, утверждав­ шей, что тела состоят из мельчайших неделимых частиц — атомов. Начало ему положил древнегреческий философ Демокрит, который утверждал, что все существующее состоит из двух элементов — берконечной непрерывной пустоты и неделимых атомов, «мечущих­ ся во все стороны».

Вспомним и постулированную Евклидом точку, которая «есть то, что не имеет частей». Иными словами, это то, что неделимо. Вот, оказывается, какая близкая аналогия: атом, как и точка, пред­ ставлялись нашим древним предшественникам неделимыми.

Может ли одна точка быть системой? Отрицательный ответ, пожалуй, лучше всего дать эпиграфом Джона Донна, который Хе­ мингуэй взял к одной из своих книг: «Нет человека, который был бы, как Остров, сам по себе, каждый человек есть часть Материка, часть Суши». Таково образное выражение фундаментального отнощения между частью и целым, предопределяющего, что часть меньше целого и диалектически всегда целое без частей немыслимо и любая часть есть целое по отношению к иного рода частям. Поэ­ тому представление термодинамической системы как совокупности некоторых неделимых частиц (точек, атомов, шариков и т. п.) — это лишь первое приближение, забывать о котором крайне опасно. Не менее опарно пренебрегать взаимодействием частиц, в результа­ те которого образуется целое качественно новой природы.

1.5. Представить частицы идеально упругими шарами удобно, особенно если рассматривать систему шаров с точки зрения класси­ ческой механики. Однако возможности реальных частиц к взаимо­ действию разнообразны и не могут не учитываться при термодина­ мическом рассмотрении системы частиц.

«Положим на мгновение, — начал в самом конце прошлого века одну из своих лекций Л. Больцман, — что в сосуде находится толь­ ко один газ, все молекулы которого однородны. До тех пор пока мы не скажем противоположного, мы будем считать, что молеку­ лы при взаимных столкновениях друг с другом ведут себя как пре­ дельно упругие шары». На всем протяжении своих классических лекций Больцман не сказал об обещанном противоположном, на­ пример о химическом взаимодействии атомов, приводящем к об­ разованию целых частиц принципиально нового качества — моле­ кул, в том числе полимерных, но в итоге сделал следующий вывод:

«Тот факт, что в природе энтропия стремится к максимуму, дока­ зывает, что при всяком взаимодействии молекулы вступают во вза­ имодействие согласно законам теории вероятностей или по крайней мере ведут себя так же, как рассматривавшиеся нами фиктивные молекулярно-неупорядоченные газы. Таким образом, второй закон термодинамики оказывается положением теории вероятностей. Правда, для того, чтобы не слишком усложнять понимание чрез­ мерно большой общностью, мы доказали это только для одного специального случая» (подчеркнуто нами — Ю. Ч.).

А если все же попытаться усложнить? И д*ело не только в том, что Больцман, представив весь мир в рамках такой картины, при­ шел к выводу о неизбежности «тепловой смерти» Вселенной. Важ­ нее другое. Больцмановское допущение возможности соударений частиц следует считать лршь первым приближенным представлени­ ем о мире. Второе приближение к реальной картине мироздания требует обязательно учитывать взаимодействие частиц, ибо отно­ шение частей, их причинная связь друг с другом есть непременное свойство (атрибут) материального мира. Итак, оценивая термоди­ намические системы, следует выделять как частицы, так и связи между ними.

2. Периодическая система структурных уровней материи

2.1.Вопрос систематизации природных объектов — частиц лю­ бого рода — глубоко принципиальный, ибо затрагивает основы естественнонаучного представления о мире. Разрешение его нача­ лось со времен Ампера, когда накопилось достаточно сведений о природе. К 50-м годам нашего века в значительной мере благода­

ря 1пколе Б. Кедрова известные, наиболее важные для понимания сути материального мира природные объекты были расположены по ступеням усложнения, которые в методологии естествознания получили название «структурные уровни материи». В качестве та­ ковых были определены: элементарные частицы (электрон, нейт­ рон, протон и др.), атом, молекула, агрегат.

2.2.Становление полимерологии позволило переопределить мо­ лекулярный уровень на полимерный (в частности, высокомолеку­ лярный) и выделить еще более высокий — конформерный струк­ турный уровень. Поэтому сегодня периодическая система естест­ венных уровней по важнейшей для людей линии развития представ-

2 «*. ^ га <ЪС*.

с:

Т Т

Ti §§ 25

§ fc

ч 5 i

с:

Сх *3

«о ^ гз 24

*1

Рис. 1. Схема структурных уровней развивающегося материального мира, форм дви­ жения и естественных наук, изучающих эти формы движения

ляется более полной (рис. 1) и, что особенно важно, достоверной в той части ряда, который определяется уровнями атом—полимер—

конформер (рис. 2).

2.3. Представление иерархии уровней природными объектами очень важно для естествоиспытателей, занимающихся конкретны­ ми предметами. Вместе с тем возможен и обобщенный подход к

Рис. 3. Схема уровней материальных частиц, образованных из односортных частиц более низкого структурного уровня. Двойной линией обозначена линия развития, принятая главной

систематике структурных уровней, исходя из положения о равно­ правности уровней по отношению друг к другу, причем не может быть ни самого верхнего, ни самого нижнего уровня.

Условно примем за уровень, от которого начнем нумерацию, хорошо изученный атомный структурный уровень и обозначим его буквой у или как у-уровень. Тогда на следующей ступени усложне­ ния, что соответствует развитию материального мира, будет поли­ мерный у +1-уровень. На следующей ступени усложнения, соот­ ветствующей у + 2-уровню, стоит конформер и т. д. Вниз, значит, к относительно более простым структурам, за атомным идет у—1- уровень атомных ядер и т. д.

Систематика структурных уровней позволяет обнаружить их пе­ риодичность по линии усложнения материи и формализовать пери­ одическую систему уровней схемой (рис. 3). На этой схеме и в даль­ нейшем, если особо не оговаривается, у-уровень — некоторый без­ ымянный уровень.

2.4. Общим для частиц у-уровня является то, что в зависимости от цели анализа их можно рассматривать как

— целые неделимые частицы (точки), которые, подобно пре­ дельно упругим шарам, способны лишь к мгновенным соударени­ ям;

структурно-уровневому миру получает следующую конкретизацию: частица у-уровня по какому-то параметру (свойству) не может быть больше частицы у + 1-уровня и меньше частицы у—1-уровня. Ведь она «зажата» между двумя близлежащими уровнями. Отсюда следствие: частица у-уровня по какому-то параметру (свойству) имеет максимальный и минимальный предел. Возможно, здесь ус­ матривается проявление и второго основного закона Д. Прайса, го­ ворящего о том, что, какой бы ни был экспоненциальный рост, он должен в конечном счете оказаться логистическим.

Все сказанное имеет смысл, если частица (частицы) определена в соответствии с периодической системой структурных уровней. Поэ­ тому не имеют большого смысла расчеты типа: «человек примерно во столько же раз больше атома водорода, во сколько раз Солнце больше человека» (X. Шепли).

2.6.На схеме структурных уровней (рис. Зд главная линия разви­ тия, представленная естественными объектами на рис. 2, обозначе­ на двойной линией. Формализация периодической системы уровней позволяет полагать наличие и иных линий развития от любого у- уровня, по которым возможно образование частиц более высокого уровня принципиально иного качества, образующих иные миры, отличающиеся от познанных еще больше, чем миры, например, уровней у , у—1 и у + 1.

3.Периодическая система межуровневых состояний

3.1.Формализация структурных уровней (рис. 4) оказалась воз­ можной, поскольку как бы мысленно разрезали «целую» частицу таким образом, что рассеклась часть, в которой рассекалась часть еще более низкого структурного уровня и т. д. Приближенный об­ раз такой операции следующий: разрезали арбуз так, что рассекли семечко, а в семечке — клетку и т. д. А ведь арбуз могли разре­ зать, не задев семечек, и они казались бы целыми частицами; раз­ глядеть же более мелкие «разрезанные» частицы возможно лишь при соответствующих «остроте зрения» и использованном «мас­ штабе».

Именно «масштабирование» — подбор соответствующей меры измерения структуры в окрестности у-уровня — позволяет обнару­ жить контуры частиц данного уровня, их взаимоотношения с ча­ стицами у + 1- и у—1-уровней, т. е. обнаружить границу перехода с одного уровня на другой, с одной ступени развития материального

мира на другую. Межуровневая граница — это область материаль­ ного мира, разделяющая и одновременно объединяющая два сосед­ них уровня. Межуровневая граничная область скачкообразного пе­ рехода с одной ступени развития на другую в то же время, если гладеть на нее с .у-уровня, представляется невозможной, непреодо­ лимой для частиц типа упругих шаров, областью, разделяющей, как пропасть, собственные миры частиц .у-уровней.

3.2. Рассмотрим реальную природу границы между уровнями — межуровневого состояния или, сокращенно, межи на примере (рис. 4) двух соседних уровней — атомарного и полимерного. Из­ вестно, что атомы (^-уровень), например, углерода объединяются в полимерную молекулу графита или алмаза (у + 1 -уровень) в резуль­ тате процесса, который называют химической реакцией. Нет необ­ ходимости приводить другие примеры реакций полимерной химии, чтобы утверждать: межуровневое состояние, лежащее между атом­ ным и полимерным структурными уровнями, характеризуется про­ цессом ассоциации частиц, называемым в данном случае реакцией полимеризации. Именно такая ассоциация привела за счет взаимо­ действия особых атомов к образованию «целой и неделимой» поли­ мерной молекулы — частицы более высокого структурного уровня. Взаимодействие же атомов хлора и натрия хотя и важно в химии само по себе, но в соответствии со схемами, представленными на рис. 3, лежит не на основной линии развития, а на некоторой ли­ нии, ведущей к я-уровню.

Подобйым образом можно выделить в принципе относительно изученный процесс образования из полимерных молекул конформеров. Более сложен процесс ассоциации конформерных образований (дезоксирибонуклеиновой кислоты и др.) в клетку. Следующее бо­ лее высокое межуровневое состояние есть процесс формирования из клеток органов и т. д. Отсюда общий вывод: межа — граница между уровнями — есть процесс перехода с одного уровня на более высокий за счет характерного только для данной межи взаимо­ действия. Все виды взаимодействия, принципиально различающие­ ся между собой, в конечном счете сводятся к одному: они обуслов­ ливают слияние, (ассоциацию) частиц ^-уровня в частицу у+1- уровня.

3.3. Формализуя иерархию межуровневых состояний, присвоим меже порядковый номер, соответствующий номеру уровня, лежа­ щему под этой межой. Тогда межа (обозначим ее индексом м ), на­ ходящаяся между у- и у+ 1-уровнями, будет .л*-межа, представляю­

щая собой область химии, главным объектом которой, как подчер­ кивал Н. Семенов, является процесс, реакция.

Графически схема уровней и межей приведена на рис. 4. Она представляет наш мир двумя чередующимися областями: уровень и межа. В нашем развивающемся мире эти области не равнозначны. Частицы на ^-уровне подобны упругим шарам; к развитию способ­ ны только частицы в межуровневом состоянии. Поэтому, если быть точными, на линии развития уровень должен быть обозначен точкой, он — идеализация. Диалектическое развитие — основной процесс.

3.4.Все живое, развивающееся существует во времени. Поэтому стрела развития и стрела времени (возможно, Эддингтонова) на­ правлены в одну сторону, однозначно указывая основное (частич­ ная регрессия также очевидна) направление изменения. Вместе с тем, очевидно, в образовании частиц у + 1-уровня участвуют не все частицы ^-уровня. С учетом этого важного положения наш мир представлен сосуществующими материальными частицами разных структурных уровней, а также частицами, находящимися в меже,

т.е. находящимися в процессе ассоциации в частицу ближайшего, более высокого структурного уровня. И хотя далеко не все способы ассоциации приводят к формированию частиц более высокого в данном (или в некотором ином) разрезе уровня, однако главенству­ ющая тенденция к взаимодействию вполне очевидна.

В этой связи приведем некоторые опытные данные об энергети­ ке межуровневого состояния: энергия межатомной (ионной, метал­ лической, ковалентной) связи составляет 1—5 электрон-вольт на одну атомную частицу (20—700 ккал/моль), а нуклон-нуклонной — (1—10)*10^ электрон-вольт. Различие внушительное, позволяющее в первом приближении говорить о слиянии частиц у—1-уровня в «це­ лую» частицу ^-уровня. В общем же случае всегда по сравнению с

м—2-межой в м—1-меже энергия взаимодействия частиц у—1-

уровня, приводящая к образованию частиц .у-уровня, значительно

больше.

3.5.Развивающийся мир периодичен, в силу чего и уровневомежевая систематика периодическая, ибо имеет место периодич­ ность проявления при переходе с одного уровня на другой основно­ го свойства частиц — их целостности. Соответственно в каждой меже периодически осуществляется другое основное свойство — взаимодействие, проявляющееся в специфической форме, но обяза­ тельно приводящее к образованию целой частицы. Периодичность