К вопросу о формулировке закона сохранения энергии
Дата: 29/11/2021
Тема: Обсудим?!


(Новая редакция этого закона)

М.М.Богословский, доктор биологических наук, академик РАЕН

В статье «К вопросу об энергии и законе её сохранения», опубликованной 4 года назад в журнале «Атомная стратегия», я высказал возражения  против существующей формулировки понятия «энергия» и закона её сохранения.



«Без труда не вынешь и рыбку из пруда» - гласит народная мудрость, с которой не согласна Российская академия наук.

Люди, находясь под давлением догм, которые в школе и институте внушала им какие-то знания, как правило, в них не сомневаются и не могут к ним относиться критически. Академии, формирующие научные знания населения Земли, не хотят признать, что законы Природы, сформулированные в XVIII – начале XX века, были весьма несовершенны, их понимание было наивным и сегодня некоторые из них нуждаются в уточнении и даже переоценке.

Причиной несовершенства формулировок этих законов являлся низкий уровень развития науки, её приборов, методик проведения экспериментов и анализа полученных материалов. Очень часто контрольных опытов не ставили, а математика, хотя и улучшила достоверность полученных данных и придала им флёр научности, оказалась не в состоянии прояснить суть физических процессов и явлений. Так создавались догмы, против которых выступать было очень сложно. К этим догмам относится и закон сохранения энергии, который защищает РАН, равно как и зарубежные академии наук.

За прошедшие 4 года я много раз возвращался к теме энергия и нашел ещё ряд неточностей и ошибок в официальной формулировке понятия «энергия» и закона её сохранения. 

Согласно последнему отечественному словарю-справочнику по физике «Энергия – скалярная физическая величина, являющаяся универсальной количественной мерой движения и взаимодействия всех форм материи» (Платунов Е.С. и соавт., 2018). К сожалению, это определение не раскрывает главного – сути этого физического явления. Вместо этого оно даёт всего лишь одну его характеристику – то, что это скалярная физическая величина, которую можно использовать как универсальную количественную меру движения и взаимодействия всех форм материи. Но и тут есть неточность, т.к. в формулировке всеобщего закона сохранения энергии (ЗСЭ) говорится не о взаимодействии, а о превращении форм энергии. В этом же словаре отмечается важное свойство энергии – её способность к преобразованию, которое проявляется «в виде работы тех или иных сил».  Близкое к этому определение даётся в энциклопедии по физике под ред. Ю.В. Прохорова, изданной в 2003 году: «Энергия – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи».

Похожее на это определение энергии имеется в словаре по физике, изданном в Германии (Worterbuch, 2006, С. 269). В нём cказано, что в классической физике энергия определяется, как способность производить определенную работу.  Ещё больше на связь энергии с работой указывает английский учебник физики для ученых и инженеров, называя энергией аккумулированную работу или запасом работы, которую эта энергия способна выполнить (Serway R.A. and Jewett J. W., 2010).

Уже эти ошибки, вместе с ошибками, указанными в моей предыдущей статье, требуют признать академическую формулировку понятия «энергия» неверной.

 

О законе сохранения энергии

По существу первым автором закона сохранения энергии (ЗСЭ) был наш великий ученый М.В.Ломоносов,  который изложил его в июле 1748 года в письме Леонарду Эйлеру. Удивительно, но сегодня западные ученые под влиянием оголтелой русофобии не желают признавать первенство в открытии этого закона М.В.Ломоносова и в разных научных изданиях приписывают его коллективному Западу: немецкому врачу и естествоиспытателю  Юлиусу Майеру (Julius von Mayer, 1814–1878), английскому физику Джеймсу Джоулю (James Joule, 1818–1889) и немецкому врачу и физику Герману Гельмгольцу (Hermann von Helmholtz, 1821–1894). Т.е. кому угодно, но только не русскому учёному, который описал этот закон почти на сто лет раньше!

Современное понимание ЗЭС дано в словаре-справочнике Е.С.Платунова с соавт. (2014): «Универсальный закон сохранения и превращения энергии – фундаментальный закон сохранения, в котором утверждается, что полная энергия изолированной (замкнутой) макроскопической системы остаётся постоянной при всех изменениях и превращениях, происходящих внутри системы». Но там же говорится, что процесс преобразования энергии проявляется в виде работы тех или иных сил. Здесь следует отметить, что этот закон совершенно несправедливо получил название первого начала термодинамики, хотя последняя является всего лишь разделом физики, изучающим теплоту и закономерности теплового движения. Т.о., первое начало термодинамики следует считать всего лишь частным случаем ЗСЭ, а вовсе не эквивалентом этого закона.

Ошибочность этой формулировки ЗСЭ состоит в следующих моментах:

– Прежде всего, эта формулировка говорит о состоянии энергии в замкнутом пространстве. Но в Природе никакого замкнутого пространства, которое заполнено макроскопической системой, из которого энергия не может исходить и в которое она не может проникать, не существует. Это всего лишь абстракция, модель, схоластическая выдумка. Т.о., закон о состоянии энергии в замкнутом пространстве никак не может претендовать на всеобщий закон Природы.

– Другая фундаментальная ошибка состоит в том, что хотя академическая наука и делает оговорку, что закон преобразования энергии проявляется в виде работы тех или иных сил, т.е. все превращения форм энергии происходят за счёт работы, она не делает на этом акцента. А зря.

В результате создаётся впечатление, что эта работа происходит без затраты энергии. А это означает, что эта формулировка по умолчанию внушает, что никакого уменьшения исходного количества энергии в условиях замкнутого пространства не происходит и происходить не может. Но ведь это не так, т.к. превращенной энергии всегда будет меньше, чем исходной, потому что часть её будет затрачена на работу по её превращению! Даже в условиях замкнутого пространства! Что означает последовательное уменьшение первоначального количества энергии. Иначе: любая работа, независимо от того, производится она в замкнутом или незамкнутом пространстве, всегда происходит с затратой энергии. Потрудиться поймать рыбку означает совершить работу по её ловле, на что надо потратить заранее запасенную энергию!

Т.о., наблюдается явное противоречие: с одной стороны авторы обсуждаемого закона говорят, что полная энергия изолированной (замкнутой) макроскопической системы остаётся постоянной при всех изменениях и превращениях, происходящих внутри системы, а с другой признают, что все превращения форм энергии происходят за счёт работы. Такая противоречивая формулировка свидетельствует, что её авторы не до конца понимают суть постулируемого ими закона. Зато становится ясно, что формулировка ЗСЭ в таком виде нуждается в исправлении.

В своё оправдание защитники общепринятой формулировки могут возразить, что на работу по превращению форм энергии затрачивается лишь небольшая её часть, которой можно пренебречь. Однако это не так. На деле на работу по преобразованию форм энергии в среднем затрачивается от 6 до 40% исходной энергии при превращении её в электрическую, примерно 10% при превращении гравитационной водяной энергии в турбине в электрическую и 30-40% при превращении электрической энергии в тепловую (Dobrinski P. et al., 2010).

А это означает, что в каждом таком случае исходной энергии становится меньше! А при многократных превращениях форм энергии, исходное количество энергии может и полностью исчезнуть!

–  Другая ошибка состоит в том, что энергия обладает ещё одним важным свойством – динамичностью. Сконцентрированная в одном месте пространства или в теле энергия, в соответствии с законом концентрации и рассеивания энергии и материи, она стремится к распространению и переходу в соседнее пространство и материальные образования. При этом любая передача энергии на какое-то расстояние, даже без её преобразования, приводит к большему или меньшему её уменьшению. Причём чем больше это расстояние, тем потеря энергии будет больше. В том числе в замкнутом пространстве, разумеется, протяженном. Величина этой потери зависит от среды, через которую происходит эта передача. В Природе не существует среды, лишенной материи, что означает, что даже в космическом пространстве такие потери неизбежны. И чем больше сопротивление такой передающей среды, тем больше будут потери энергии.

Наконец, ещё одно замечание состоит в том, что из академической формулировки по умолчанию следует, что переход из одной формы энергии в другую происходит сам собой, спонтанно, чего на деле не бывает. Превращение видов энергии само по себе не происходит. Для того, чтобы одна форма энергии превращалась в другие её формы нужна причина. Такой причиной является препятствие, которое поток энергии должна преодолеть, совершая для этого определенную работу. Например, при движении электрической энергии по проводнику таким препятствием является его сопротивление, которое может приводить к переходу этой энергии в тепловую энергию. Световая энергия Солнца в виде солнечного света тоже сама по себе не превращается в электрическую. Это происходит лишь тогда, когда она встречает на своём пути препятствие в виде фотоэлектрических преобразователей в т.н. солнечной панели. В отсутствии препятствия энергия распространяется без изменения своей формы. Это распространение продолжается до полного выравнивания её исходного уровня с её уровнем в окружающей среде.

– Обобщая понятие энергии, эта формулировка не делает различия между её формами. Ведь если ограниченное количество исходной формы энергии превратилось в её другую форму, то этого исходного количества станет меньше! Не говоря уже о том, что если она полностью перешла в другую форму энергии, это будет означать, что исходной формы энергии уже не будет, т.к. она исчезнет!  Конечно, можно возразить, что ведь сама энергия не исчезла! Но это будет уже другая энергия, другая её форма! И это возражение будет лишь неуклюжей попыткой отрицать принципиальную возможность исчезновения энергии в какой-то конкретной форме. Для космического пространства это не имеет значения, а вот для человеческой деятельности имеет значение огромное. Ведь не всякую форму энергии люди сегодня могут использовать. Например, мы сегодня не можем напрямую превращать гравитационную энергию в электрическую или тепловую;

– Утверждение, что энергия лишь переходит из одной формы в другую, по сути, упускает её использование для выполнения каких-либо работ человеком в хозяйстве и промышленности! Хотя любой вид работ, как известно, требует энергии. А это значит, что количество энергии, если оно первоначально ограничено (отсутствует непрерывное или периодическое её поступление), будет уменьшаться. И если работа производится длительное время и требует много энергии, то  исходная энергия не только будет уменьшаться, но может и полностью исчерпаться, т.е. прекратит своё существование! В таком случае, для продолжения работы нужна будет новая порция энергии! Поэтому людям для хозяйственной и промышленной деятельности нужно постоянное поступление разных видов энергии через электро-, нефте- и газопроводы. А вся эта энергия стоит больших денег, чего совершенно не учитывает академическая формулировка ЗСЭ!  Ведь по её умолчанию, вся энергия не только ни на что не расходуется, она ещё и ничего не стоит, она вообще бесплатна!

По умолчанию, академическая формулировка ЗСЭ создаёт ложное впечатление, что все виды работ, которые выполняет человек в быту и на производстве, происходят без затраты энергии! По сути, такая формулировка является академическим обоснованием лохотрона – человеку внушают, что ничего не вкладывая, т.е. не совершая никаких затрат на выполнение работы по добыванию энергии, можно получать и пользоваться ею бесплатно! А в более широком смысле – за работу платить ничего не надо! Зачем для получения энергии строить дорогостоящие гидро-, тепло- и атомные станции, термоядерные реакторы, когда она вездесущая, неисчерпаемая находится где-то рядом, бесконечно переходя из одной формы в другую! Очень удобно!;

– Важно также отметить, что ошибочность общепринятой формулировки ЗСЭ распространяется и на энергию живых организмов. Если бы энергия только и делала, что бесконечно переходила из одной формы в другую, и при этом её количество сохранялось неизменным (!), то живые организмы не нуждались бы в постоянном поиске источников энергии (пищи) и создания её запаса. У животных, добытая в качестве источника энергии пища, расходуется на выполнение работ по обеспечению основного обмена – на работу по жизнеобеспечению систем организма, работу внутренних органов, а у гомойотермных  животных на поддержание постоянства температуры тела.

Эта энергия также расходуется на процессы клеточного метаболизма, в первую очередь для поддержания в клетках организма постоянного уровня содержания аденозинтрифосфата – одного из основных источников энергии клеток, а также для кровообращения, дыхания, обмена веществ, выделения, функционирования жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желёз. Естественно, что энергозатраты организма возрастают при физической и умствен­ной работе, психоэмоциональном напряжении, для приема и переработки пищи, а также при колебаниях температуры среды. А если запасы энергии в виде пищи заканчиваются и не пополняются, животные погибают. Мантра о переходе одного вида энергии в другую их не спасает, жизнь не обеспечивает.

Одной из причин ошибочности академической формулировки ЗСЭ является неверное понимание термина «работа». Так, согласно словарю-справочнику по физике Е. С. Платунова и соавт. (2018) работа – это скалярная физическая величина, являющаяся количественной мерой преобразования энергии из одной формы в другую и имеющая размерность энергии. Подобное определение работы дают и иностранные учебники, и словари по физике (Wörterbuch Physik, 2006; Dobrinski P. u.a., 2010; Serway R.A. and Jewett J.W., 2010). Но такое определение работы весьма односторонне, т.к. оно оценивает лишь энергетическую (экономическую) трату на выполнение работы, которая в большинстве случаев главной не является. Целью физической работы является вовсе не трата энергии на её производство, а различные физические и химические преобразования тел (определенного объёма материи и её агрегатного состояния) и их состава, а также их перемещение в пространстве.

В связи со сказанным следует исправить саму формулировку понятия «работа». Физическая работа, это прежде всего изменение структуры, формы, объёма, массы, физико-химических свойств и пространственного положения какого-то количества материи (например, тела), которое всегда происходит с затратой энергии. И только во вторую очередь оцениваются энергетические затраты, которые потребовались на выполнение данной работы.

Так, при забивании гвоздя, подавляющая часть кинетической энергии молотка расходуется на выполнение работы по преодолению сопротивления материала, в который вбивается гвоздь, и лишь незначительная часть этой энергии (не более 1-3%) преобразуется в энергию тепловую. Количество этой преобразованной энергии настолько мало, что и энергий её назвать нельзя, т.к. использовать её для выполнения какой-либо работы невозможно.

В основном энергия затрачивается на работу по созданию новых материалов, техники, строений, новых машин, прокладки дорог и т.п. А то, что работа может использоваться как количественная мера преобразования энергии из одной формы в другую, является всего лишь способом количественной оценки процесса преобразования энергии.

Одной из распространённых ошибок защитников академической формулировки ЗСЭ является то, что они полагают, что при выполнении какой-либо работы энергия просто переходит работу. Но работа – это не форма энергии, а создание новых материалов с новыми свойствами и перемещение тел в пространстве, невозможные без затраты энергии, что не позволяет считать работу формой энергии!

Отсюда следует, что академическая формулировка понятия работы неверна.

Что касается космического пространства, то только в нём в полной мере действует закон сохранения энергии в классической формулировке. В нём энергия действительно не возникает и не исчезает, т.к. она является составной частью вечно существующей материи в двух видах – как составной элемент вещества, и как способа её взаимодействия с другими элементами и формами материи. При этом все частные потери энергии, которые с ней могут происходить при превращении её форм, компенсируются огромными масштабами Метагалактики, в которой происходит постоянный обмен потоками энергии.

Всё сказанное вынуждает уточнить формулировку обсуждаемого закона и исправить выявленные ошибки. В качестве новой формулировки можно предложить, например, такую:

Энергия представляет собой первооснову мироздания, материальную субстанцию, являющуюся составной частью материального мира, эволюционирующую в пространстве совместно с формами вещества, находящегося в разных агрегатных состояниях. Энергия в её разных первичных формах не возникает, и возникнуть не может. Как и остальная материя, энергия Метагалактики обладает свойством неуничтожимости.

В то же время полная энергия изолированной (замкнутой) макроскопической системы остаётся постоянной только при условии, что она не подвергается никаким превращениям. Так как для них требуется затрата энергии, в результате чего исходной энергии станет меньше. В живой Природе, а также в условиях человеческой деятельности энергия, потраченная на выполнение работы, может не только уменьшаться в объёме, количестве и мощности, но и исчезать.

Признание того, что энергия при определенных условиях может не только уменьшаться, но и исчезать, приводит к весьма важному теоретическому и мировоззренческому выводу. Поскольку энергия является субстанцией материальной, уменьшение при определенных условиях её количества и даже её исчезновение означает также, что определенный вид материи при определенных условиях может также уменьшаться в количестве и исчезать. Такое заключение о возможности исчезновения материи нужно всегда дополнять примечанием, что это возможно лишь как исключение из общего правила, когда речь идёт об определенном виде материи и определенных условиях её существования.  

Общий вывод: распространенную академическую формулировку ЗСЭ следует признать ошибочной, её нужно изъять из всех учебников по физике, курса концепций современного естествознания и энциклопедий. Её надо исправить и чем скорее, тем лучше!

Новая формулировка универсального ЗСЭ должна провозглашать, что полная энергия изолированной (замкнутой) макроскопической системы остаётся постоянной, но только при условии отсутствия изменений и превращений внутри системы! Однако, к этому надо добавить, что такой системы в Природе, да и в производстве в полной мере не существует! Поэтому ЗСЭ в таком виде, хотя формально правильный, не отражает реального соотношения энергии и работы, а потому является бесполезным.

В живой Природе, а также в условиях человеческой деятельности количество энергии, потраченной на выполнение работы, приводит не только к уменьшению первоначальной энергии по объёму, количеству и мощности, но может вызвать и её исчезновение. В метагалактике, а также в микромире энергия не только не возникает, но и не исчезает.

 

Литература

Бурлачков В.К.     Энергия. Время. Информация: эволюция научных представлений Москва: URSS : ЛИБРОКОМ, 2012. - 234 с.

Платунов Е.С., Самолетов В.А., Буравой С.Е., Прошкин С.С. Физика. Словарь-справочник.Спб: изд. Политехнического университета, 2014. - 798 с. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. – М.: Изд. ЛКИ/URSS. Т.1-2. 2007. С.74.

Физика. Энциклопедия / Под ред.Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 944 с.

Dobrinski P., Krakau G., Vogel A. Physik für Ingenieure. 12 aktualisierte Auflage GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden. - 2010.

Serway R.A. and Jewett J.W. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Eighth Edition.  California State Polytechnic University, Pomona. – 2010. - 1558 р.

Wörterbuch Physik. Von Waloschek P. Directmedia • Berlin. - 2006. Р. 269.








Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9876