CC BY
37
УДК 536.7:53
О МНОГОЗНАЧНОСТИ ТЕРМИНОВ «ТЕПЛОТА», «РАБОТА», «ЭНЕРГИЯ», «КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА»
В.В. Рындин
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
KoHmeKcmmepdi талдай келгенде «жылу», «жумыс», «энергия» терминдертщ коп магыналылыгы квршеЫ. Осы терминдердщ кеп магыналылыгын твмендету edicmepi баяндалгак «Молярльщ» термит заттардьщ сандъщ уцсастыгы реттде енг1злт отыр.
Из анализа контекстов показывается многозначность терминов «теплота», «работа», «энергия». Изложены методы снижения многозначности этих терминов. Термин «молярность» вводится как аналог количества вещества.
From the analysis of contexts the polymeaning of the terms «heat», «work», «energy» is shown. The methods of decrease of a polymeaning of these terms are stated. The term «molarity» is entered as analogue of quantity of substance.
Теплота и работа — два понятия, сыгравшие большую роль в развитии термодинамики, нередко вносившие много неопределённости в эту строгую количественную науку. Термин «теплота» неоднократно изменял своё значение в связи с развитием представлений о теплоте, не является он однозначным и сейчас. Длительное время словом «теплота (тепло)» пользовались для обозначения теплового движения, внутренней энергии, молекулярно-кине-
тической энергии (тепловой энергии) и процесса теплообмена. Вряд ли существует в термодинамике слово, которое заставило бы студентов растеряться больше, чем слово «теплота». Сохраняющаяся неоднозначность и синонимичность термина «теплота» («тепло», «количество теплоты», «в форме теплоты» и др.) затрудняют обучение и в результате даже самый добросовестный и способный студент понять материал не в состоянии.
Но почему же в учебной литературе существует такая путаница с понятием теплоты? Какие причины породили путаницу? Чтобы правильно ответить на эти вопросы, нужно хотя бы бегло проследить историю возникновения этой путаницы. С этой целью ниже приведены выдержки из некоторых работ в хронологической последовательности1 .
«В наше время причина теплоты приписывается особой материи, которую большинство называет теплотворной, другие — эфиром, а некоторые — элементарным огнём ... Мы утверждаем, что нельзя приписывать теплоту тел сгущению ка-кой-либо тонкой, специально для того предназначенной материи, но что теплота состоит из внутреннего вращательного движения (везде выделение моё. — В. Р.) связанной материи нагретого тела» [1, с. 90].
«... в течение почти двух столетий теплота рассматривалась не как форма движения обыкновенной материи, а как особая таинственная материя; только механическая теория теплоты осуществила здесь необходимое перевёртывание (с. 31). Но что сказать об изменении формы движения, или так называемой энергии? (с. 45). Но теплота есть одна
из форм так называемой «энергии»... [2, с. 57].
«Энергия, которая передаётся
данному телу от более нагретого тела в результате теплового контакта между ними, без того, чтобы внешние условия, в которых находится рассмат-§ риваемоетело, изменялись и, следовательно, производилась работа одного тела над другим называется теплом. С точки зрения кинетической теории материи тепло связано с движением частиц ... и представляет собой микрофизическую форму передачи энергии от одного тела к другому» [3, с. 8].
«После открытия принципа эквивалентности стало ошибочным говорить о количестве теплоты, содержащейся в системе, независимо от того, вещество ли теплота или движение частиц тела. Теплота — это движение в передаче. Теплота ... является количественной мерой передачи движения ... беспорядочного. ... Максвелл, по-видимому, первый охарактеризовал работу, как передачу упорядоченного движения, а теплоту, как передачу беспорядочного движения» [4, с. 121].
«... теплота и работа не являются функциями состояния, а представляют собой величины, зависящие от пути процесса. Я настойчиво утверждал, что теплота не есть
Автором проанализировано более ста работ.
вид энергии, хотя и представляет собой форму движения. Утверждение, что теплота не есть вид энергии вызвало больше всего возражений... единственно правильное понимание тепла («теплового действия») как особой формы передачи энергии и количества тепла как энергии, передаваемой в этой особой форме» [5, с. 61].
«... теплота и работа являются формами передачи энергии ... теплота является энергией хаотического теплового движения микрочастиц, составляющих тело» [6, с. 24].
«... будем рассматривать термин «тепло» как сокращение более точного и обстоятельного определения «энергия, переходящая границы системы в форме тепла». Необходимо различать две формы энергообмена: перенос энергии ... в форме тепла и в форме работы. Теплообмен и совершение работы являются способами изменения внутренней энергии системы» [7, с.81].
«Передача энергии в результате обмена хаотическим, ненаправленным движением микрочастиц называется теплообменом, а количество переданной при этом энергии — количеством теплоты, теплотой процесса или теплотой... работа и теплота не являются ни энергией ..., ни видом энергии ... Работа и теплота
являются лишь количествами, измеряющими изменение материального движения .... Однако имеются лишь два принципиально различающихся способа передачи энергии (формы обмена энергией); работа и теплота» [8, с. 14]. Д
«Энергия, которая может быть получена..., представляет собой одну лишь теплоту. Поэтому между количеством полученной системой теплоты и изменением её энергии должно существовать соотношение - Е{ = ¡2, где <2 — теплота, полученная системой» [9, с. 21].
«Обмен внутренней энергией ... без совершения механической работы называется теплообменом. В силу исторических условий изменение внутренней энергии тела при теплообмене часто называют количеством теплоты (). Величина О является числовым выражением энергии, переданной или полученной телом в процессе теплообмена» [10, с. 56].
«Тепловое движение—это особая форма движения материи..., а теплота —форма теплового движения. Передача энергии (формы обмена энергией) происходит двумя способами—работой Ь и теплотой (9» [11, с. 17].
«Количество энергии, передаваемой при неизменных внешних параметрах, представляет собой количество теплоты <2 (иначе — теп-
ло), а сам процесс передачи энергии называется теплообменом [12, с. 9].
«Тепло и работа являются лишь формами передачи энергии, а не самой энергией. Именно поэтому нет смысла говорить о «запасе тепла» или о «запасе работы» [13, с. 18].
Из анализа контекстов можно отметить противоречивые суждения о том, что понимается под теплом (теплотой). Так, в [1, 2, 5, 11] утверждается, что теплота—одна из форм энергии; энергия хаотического движения микрочастиц тела— в [6]; в [5, 8], что теплота не является ни энергией, ни видом энергии, В работах [3,4, 5,7... 12] под теплотой (количеством теплоты) понимается энергия (количество энергии) перехода (энергия, переходящая границы системы в форме тепла) или изменение внутренней энергии «в форме тепла».
В качестве аргумента в пользу того, что теплота не является видом энергии, Путилов, а вслед за ним и другие авторы [3,4,6,8,13] видят в новом значении этого термина, обозначающего процесс, способ, микрофизическую форму передачи энергии. В результате противопоставляются различные категории — физические величины (именованные числа) и процесс (идеальное — реальное). То есть различные понятия,
определяемые термином «теплота», используются для взаимного «пояснения».
Ряд авторов для обозначения процесса вводят в параллель термину «теплота» («количество теплоты») термин «теплообмен», взяв его из теории теплообмена (теплопередачи) [12], и придерживаются такого разделения терминов на протяжении всего курса [7, 10]; другие же либо вводят термин «теплообмен» как исключение, отдавая дань «досадному пережитку» [5], либо, определяя теплообмен в начале курса (очевидно, отдавая дань «моде»), далее фактически отождествляют его с теплотой — формой (способом) передачи энергии [8, 11], что вновь делает термин «теплота» многозначным.
Во всех работах под теплотой явно или неявно понимается и само тепловое, хаотическое движение, содержащееся как в теле, так и передаваемое микрофизическим путём.
Обобщая всё это, можно отметить сохраняющуюся до наших дней синонимичность (теплород, тепловое движение, тепло, количество теплоты, теплота процесса, в форме теплоты, способ обмена энергией), категориальную многозначность (вещество, процесс, физическая величина) и видовую многознач-
иость (материя, её свойство — движение; вещество системы, переданное вещество; движение системы, переданное движение; энергия системы, переданная энергия, изменение энергии) термина «теплота». Синонимичность и многозначность термина «теплота» приводит к тому, что студент (да и сам преподаватель) не в состоянии понять, что подразумевается под такими устойчивыми словосочетаниями, как «теплота превратилась в работу», «теплота не вид энергии, но количество энергии», «передача энергии происходит двумя способами — работой Ь и теплотой 2» (последнее буквально означает, что физические величины Ь и <2 (предметы из мира идей) есть не что иное, как способы, процессы (предметы из мира вещей).
Чтобы разобраться во всём этом, сначала необходимо выяснить, какую категорию определяет термин «теплота». Поскольку все авторы едины в одном, что один из членов в уравнении первого закона термодинамики называется теплотой (количеством тепла, теплоты), то под теплотой следует понимать физическую величину (ФВ): в уравнения могут входить только физические величины. В связи с этим следует остановиться на правомочности использования словосочетания «количество
теплоты» применительно к физической величине — теплоте.
Строгое разграничение терминов «теплота» и «количество теплоты» приводится у Путилова,хотя и у него всё перепутано: теплота у него и ФВ, и форма движения, и форма передачи энергии, и не вид энергии; количество тепла — передаваемая энергия. В большинстве работ термины «теплота» и «количество теплоты» рассматриваются как синонимы, что недопустимо по следующим соображениям.
Согласно словарю русского языка С. И. Ожегова [14], «количество» — категория, характеризующая предметы и явления внешнего мира со стороны величины, объёма, числа. Следовательно, слово «количество» должно сопрягаться со словами, означающими категории, которые можно оценить количественно, например, такие, как материя (или вещество) или свойства материи (движение, протяжённость, инерционность и т. п.). Раз так, то теплота в словосочетании «количество теплоты» должна означать либо саму материю (теплород, флюид), либо свойство материи (движение). Тогда термин «количество теплоты» дословно должен означать количество теплорода, либо количество теплового, хаотического дви-
жения. Именно так и зародился этот термин, когда под теплотой (теплом) понимали теплород: количество теплоты <=> количество теплорода.
Если же под словом «теплота» в словосочетании «количество теплоты» понимать ФВ (что следует из синонимичного использования данных терминов), то получается тавтология: «количество ФВ (теплоты) — «количество количества», так как ФВ как раз и является количественным выражением каких-либо свойств. То же самое касается и таких словосочетаний, как «количество энергии» и «количество работы». Либо мы должны признать, что работа и энергия не являются физическими величинами в этих словосочетаниях (например, работа — направленное движение, а энергия — движение системы), либо получаем тавтологические словосочетания.
По мере развития науки термины «количество энергии» и «количество работы» стали заменяться терминами «энергия» и «работа». Что касается термина «количество теплоты (тепла)», то он до сих пор применяется в физике и в термодинамике для обозначения ФВ в параллель терминам «тепло» и «теплота», используемых для обозначения самого хаотического движения в сис-
теме или переданного. Однако сами авторы такого разделения до конца не придерживаются и рассматривают эти термины как синонимы, что приводит к отмеченной выше путанице.
К правильным словосочетаниям относятся «количество вещества» и «количество движения», где вещество и движение нельзя спутать с физическими величинами. Однако использовать эти термины для обозначения конкретных физических величин, как это принято сейчас, нецелесообразно, так как они обозначают обобщающие понятия, характеризующие запас вещества и движения в системе в самом общем виде.
После того, как физики установили, что мерами (количественными характеристиками) движения являются различные физические величины — импульс, момент импульса и энергия, — термин «количество движения» не рекомендуется использовать для обозначения конкретной ФВ (в механике об этом, видно, не знают, так как до сих пор используют его в качестве синонима импульса — как Декарт, который считал, что, кроме произведения массы на скорость, нет других количественных характеристик движения).
С точки зрения современной физики, термин "количество веще-
ства" так же, как и термин «количество движения», является многозначным термином, что затрудняет как понимание самой величины, обозначаемой этим термином, так и использование этого термина в контекстах. Применение термина "количество вещества" нередко встречает серьёзное возражение по трём причинам.
Во-первых, этот термин, как уже отмечалось, обозначает обобщающее понятие для таких количественных характеристик (ФВ) запаса (количества) материи (вещества) в системе, как масса, объём, число частиц, вес, и применять его для наименования одной конкретной ФВ, определяющей запас (количество) материи (вещества) в системе по числу укрупнённых порций частиц (молей), нецелесообразно.
Во-вторых, из-за возникающей тавтологии при применении этого термина. Например, в таких выражениях, как "количество вещества растворённого вещества равно 5 кмоль". Поэтому естественно стремление убрать "лишнее" слово "вещество" (что делать не следует) или переставить местами слова "количество" и "вещество" (что также делать не следует). Например, в таких выражениях: "количество водорода 5 кмоль", "число молей веще-
ства равно 5", "вещество количеством 5 моль", "количество 1 моль вещества водорода" и в других нарушена целостность термина "количество вещества".
В-третьих, критика термина "количество вещества" аргументируется тем, что при диссоциации многоатомных молекул вещества число "структурных элементов" в системе увеличивается, а, следовательно, увеличивается "количество вещества", что представляется мало логичным, если под количеством вещества понимать количество материи, запас вещества. В качестве примера можно привести пары йода, молекулы которого при низких температурах состоят из двух атомов, а при нагревании становятся одноатомными. "Количество вещества" при этом как бы удваивается, хотя масса системы, которая в данном случае также является характеристикой (мерой) запаса вещества в системе (количества вещества), не меняется. Получается парадокс: с одной стороны, количество вещества увеличилось (увеличилось число частиц в системе), а с другой стороны, количество вещества системы не изменилось (не изменилось количественное содержание материи в системе, о чём свидетельствует постоянство массы системы).
В связи с этим назрела необходимость заменить термин "количество вещества" на другой термин, лишённый указанных недостатков. Поскольку эта ФВ учитывает число структурных единиц системы, то её можно было бы назвать, например, "структурность вещества" (или просто "структурность"). Однако, учитывая широкое применение молярных величин, получаемых от деления ка-кой-либо ФВ на количество вещества (например, молярный объём, молярная масса), то целесообразно эту величину назвать "молярность вещества", или просто молярность2 (термин молыюсть не подходит, так как происходит от наименования единицы ФВ моль). Выбор термина "молярность" диктует необходимость обозначения этой ФВ (количества вещества) буквой ¡и (созвучной самому термину), которая менее многозначна по сравнению с применяемыми сейчас буквами для обозначения количества вещества п (совпадает с обозначением частоты) и о (совпадает с обозначением концентрации частиц и показателем политропы).
Согласно приведённым контекстам понятие теплоты определя-
2 Раньше термин «молярность» использовался для наимеенования величин, получаемых от деления количества растворенного вещества на объем раствора. В настоящее время эту величину называют «молярная концентрация вещества», или «концентрация количества вещества».
3 Термин «живая сила» впервые ввел Г.Лейбниц в 1686 году для обозначения пойгенсового произведения тс2, в отличие от «мертвой силы», например, силы сжатой пружины.
ется, исходя из ,понятия энергии: теплота (тепло) — одна из форм энергии; энергия, которая передаётся; форма, способ передачи энергии; энергия хаотического теплового движения микрочастиц, количество переданной при этом энергии, изменение внутренней энергии; не являются ни энергией, ни видом энергии.
Как видим, здесь термин «энергия» употребляется в различных значениях (о чём авторы не догадываются) и эти различные значения термина противопоставляются. Поскольку передаваться, иметь форму может только объективная реальность, то энергия — это материя или её свойство (например, движение); количество же энергии (объективной реальности), как и изменение внутренней энергии, является физической величиной (именованным числом — предметом из мира идей); форма, способ передачи энергии (объективной реальности) является процессом. Остановимся вкратце на историческом аспекте возникновения многозначности термина «энергия».
Физическая величина энергия была введена интуитивно в виде
произведения массы на квадрат скорости ("живая сила"3 Гюйгенса). В
начале XIX в механике, наряду с «живой силой», появляется термин "энергия" как эквивалент живой силы. Впервые этот термин был введён Томасом Юнгом в 1807 г. Для обеспечения эквивалентности между кинетической энергией и произведением силы на перемещение (работой) Кориолис в 1829 г. предложил ввести вместо величины тс2 величину тсг! 2.
Даже в механике, не говоря о других науках, долго путали разные понятия: "сила", "энергия", "импульс" ("количество движения"). Разница между силой и энергией в XVIII в. не была ещё чётко понята. "Силу" (кинетическую энергию), заключённую в летящей пуле, путали с силой упругости пружины. Эта путаница осталась в названии единицы мощности — лошадиная сила.
Формирование понятия энергии завершило длительную эволюцию лейбницевской живой силы, с одной стороны, а с другой — положило конец двусмысленному понятию слова "сила" в ньютоновском и гюйгенсово-лейбницевском понимании, что имело место на протяжении всего XVIII века.
Постепенно энергетическое
описание процессов вытеснило силовое. В 70-х годах XIX в. стал распространяться взгляд на энергию как на нечто материальное, и её стали наделять свойствами объективной реальности. Распространение получили такие выражения, как "количество содержащейся энергии в теле", "запас энергии тела", "превращение материи в энергию" и т. п. То есть термин "энергия" становится синонимом термина "движение", что привело к категориальной многозначности термина "энергия" — наиболее вредной для учебников многозначности, когда в одном и том же контексте вначале говорится о ФВ, а затем об объективной реальности под тем же наименованием. Например, во многих учебниках энергия определяется как "физическая мера движения материи", т. е. как количественная характеристика движения — ФВ, а затем через неё определяется работа как «количество энергии» (количество ФВ), переданной макрофизическим путём.
Основоположники закона сохранения энергии (ЗСЭ) называли ЗСЭ законом сохранения силы (Рен-кин впервые назвал закон сохранения силы законом сохранения энергии). Формулировка Майера: "В действительности существует только одна-единственная сила. Эта сила
/в вечной смене циркулирует как в мёртвой, так и в живой природе. . Нигде нельзя найти ни одного процесса, где не было бы изменения . силы со стороны её формы". В настоящее время этот закон формулируется как закон сохранения и превращения энергии:энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах.4 „Поскольку "циркулировать" и "превращаться" физические величины не могут, то, здесь под терминами "сила" и "энергия" следует понимать само движение и, следовательно, приведённые формулировки Майера и современных учебников физики выражают лишь философский (качественный) закон сохранения движения, сформулированный Р. Декартом и М. В. Ломоносовым, а не физический (количественный) закон сохранения энергии — как физической величины.
В то же время при различных изменениях формы движения "со-
храняющейся" величиной является не сила, а энергия. Поэтому в качестве частной (наряду с ЗСИ и ЗС момента импульса и др.) количественной формулировки закона сохранения движения при Изменении его формы будет закон сохранения значения физической величины — энергии (ЗСЭ): движение не исчезает и не возникает вновь, оно лишь изменяет свою форму (вид) таким образом, что суммарное значение энергии во всех этих превращениях остаётся неизменным.
До настоящего времени в физике и термодинамике не стихают споры о том, может ли тепло (теплота) содержаться в теле. Это связано с тем, что учёные под теплом понимают различные значения этого термина. Если под теплом (теплотой) понимать, как это принято в термодинамике, только переданное в хаотической форме движение, то нельзя говорить о содержании тепла в теле. Если же под теплотой понимать хаотическое движение мик-
4 До сих пор принято считать, что основоположники первого закона термодинамики в своих формулировках под силой понимали физическую величину — энергию. Но вот, что писал rib, этому поводу Энгельс: "Майер ... и Джоуль доказали превращение теплоты в механическою силу и механической силы в теплоту ... Гров доказал, что все так называемые физические силы — механическая сила, теплота, свет, электричество, магнетизм и даже так называема»химическая сила — переходят при известных условиях друг в друга без какой бы то ни было потери силы, и таким образом, доказал ещё раз, путём физического исследования, положение Декарта о том, что количество имеющегося в мире движения неизменно. Благодаря Зтому различные физические силы — эти, так сказать, неизменные "виды" физики — превратились в различным образом дифференцированные и переходящие по-определённым законам друг в друга форм движения " (выделено мною. — В. Р.).
№2, 2001г._
рочастиц, как это принято в физике и теории теплообмена, то вполне допустимо говорить о содержании теплоты в теле, её потере и выработке на ТЭЦ. Однако, вопреки логике вещей, количество теплоты не является мерой запаса теплоты (ХД) в системе — ею является внутренняя энергия.
Недоразумений с применением понятий теплоты, тепла, количества тепла (теплоты) можно избежать, если уменьшить многозначность синонимичных терминов «теплота» и «тепло» путём разделения этих терминов для обозначения разных категорий. В связи с этим предлагается для обозначения хаотического движения в системе и переданного использовать термин «тепло» (например, теплообмен — это процесс переноса тепла (ХД) в пространстве, тепловой резервуар — резервуар, обладающий запасом хаотического, теплового движения), а для обозначения физической величины, характеризующей количество переданного тепла (ХД), — термин «теплота»5 или его синоним «количество тепла»(именно тепла—движения, переданного микроскопичес-
-_ЛЗ
ким путём, а не теплоты — физической величины). При таком разграничении терминов говорить, что в теле содержится теплота (ФВ) или передаётся теплота, будет так же неграмотно, как говорить, что на нити висит масса (ФВ). Правильно говорить, что передаётся тепло, а мерой (количественной характеристикой) переданного тепла (ХД) является теплота (ФВ) или количество тепла (но не количество теплоты — как принято сейчас); количественной характеристикой тепла (ХД), содержащегося в теле, является внутренняя энергия.
Термин «работа» так же, как и термин «теплота», обладает категориальной многозначностью. Он обозначает и само упорядоченное движение тела, и переданное движение упорядоченным макроскопическим путём; процесс передачи движения макроскопическим путём; количество движения (энергии), переданного в упорядоченной форме, — физическую величину.
Для уменьшения многозначности терминов «теплота», «работа» и «энергия» предлагается выполнить следующее:
1) по возможности использо-
5 Термин «теплота» используется чаще для обозначения величины <3, чем термин «тепло» и «количество тепла».
вать эти термины для обозначения физических величин — количественных характеристик движения в системе или переданного;
2) для обозначения самого хаотического (теплового) движения в системе или переданного микрофизическим путём использовать термин «тепло» (а не «теплота»);
3) для наименования процессов передачи движения микрофизическим или макроскопическим путём использовать соответственно термины «теплообмен» (а не «тепло-
та»), «совершение работы» (а не «работа»),
В тех же случаях, когда термины физических величин используются в значении объективной реальности (например, в выражениях типа "внутренняя энергия превратилась в работу", "теплота переносится", "сила действует" и т. п.), следует предупредить читателя о том, что всё это иносказательные выражения, где под терминами физических величин следует понимать объективные реальности, и неоднократно, чтобы они это усвоили.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ломоносов М.В. Избранные произведения. Т. 1. Естественные науки и философия. — М.: Наука, 1986,—536 с.
2. Энгельс Ф. Диалектика природы. — М.: Госполитиздат, 1975.
3. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика: Учеб. для энергетич. спец. вузов. — М.: Энергия, 1968. — 496 е.: ил.
4. Кричевский И. Р. Понятия и основы термодинамики.— М.: Химия, 1970. — 440 е.: ил.
5. Путилов К. А. Термодинамика.—М.: Наука, 1971. — 375 с.: ил.
6. Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика: Учеб. для вузов. — 2-е изд. — М.: Энергия, 1974. __448 е.: ил.
7. Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. — М.: Мир, 1977. — 518 е.: ил.
8. Техническая термодинамика: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/В.И. Крутов и др.—3-е изд., пе-рераб. и доп.— М.:Высш. шк., 1991,—384 е.: ил.
9. Новиков И.И. Термодинамика: Учеб. пособие для студ. теп-лотехнич. спец. втузов.— М.: Машиностроение, 1984. — 592 е.: ил.
10. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник.— М.: Наука, 1984. — 512 е.: ил.
11. Теплотехника: Учеб. для втузов /Под. ред. В.И. Крутова.— М.: Машиностроение, 1986. — 432 е.: ил.
