<<
>>

§ 4. Философские основания классической физики - механическая картина мира и динамический детерминизм

Проблемы концептуализации физики как фундаментальной естественно-научной дисциплины были связаны с открытиями и экспериментальными исследованиями явлений, которые явно выходили за рамки механики.
Однако именно механическая модель объяснения на 144 основе действующих сил позволила соединить разнообразные явления неживой природы в единую концептуальную область классической физики. В XIX в. разделы аналитической механики (кинематика, теория упругости, гидромеханика) дополняются новыми направлениями. В 40-х гг. складывается понятийная основа термодинамики, предметом которой выступают закономерности тепловых процессов. Ключевую роль в концептуальной интеграции механики и термодинамики сыграла идея эквивалентности тепла и механической работы, подтвержденная в работах врача Юлиуса Роберта Майера (1814-1878) и физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889). Проводя опыты с вертушкой, опущенной в жидкость, замеряя температуру нагрева жидкости в зависимости от скорости вращения, Джоуль установил, что для того, чтобы сообщить системе одну калорию тепла необходимо совершить одну и ту же механическую работу. Английский ученый Вильям Томсон (лорд Кельвин; 1824-1907) ввел понятие энергии в современном физическом смысле. С тех пор под энергией понимают способность физической системы совершать работу. В дальнейшем была установлена общая единица измерения любой энергии (механической или тепловой) и работы - джоуль 58. Это было великим достижением физической мысли - разрешалась проблема согласования в описании явлений механического движения и теплообмена, для исследования которых требовались различные единицы измерения и экспериментальные методы. Теоретический вклад в оформление классической физики был связан с формулировкой закона сохранения и превращения энергии Р. Майером. Опираясь на онтологический принцип единства мира и методологический принцип механики, Майер полагал, что существует 53 один вид силы, который находится в вечном обмене и круговороте как в неживой, так и в живой природе.
В любых физических и химических процессах данное значение силы остается неизменным, меняется только форма силы (в современном языке науки - энергии). Развивая эту идею в области тепловых процессов, Майер формулирует первое начало термодинамики, в соответствии с которым любое изолированное тело стремится сохранить свою внутреннюю энергию 54 55. Широкое признание в научном мире первый закон термодинамики получил благодаря деятельности знаменитого физика и физиолога Г ермана Людвига Фердинанда фон Гельмгольца (1821-1894), показавшего на основании этого закона принципиальную невозможность вечного двигателя. В оформлении теоретической основы термодинамики велика заслуга Сади Карно (1796-1832), разработавшего принципиальную схему тепловой машины, а также Рудольфа Эмануэля Клаузиуса (1822-1888), с именем которого связано введение понятия энтропия, открытие второго закона термодинамики, создание молекулярно-кинетической теории газов. В молекулярно-кинетической теории устанавливалось, что теплота не что иное, как связанная с мельчайшими частицами вещества энергия их движения 60. Хаотическое движение молекул газа или жидкости было сведено к понятию теплового движения, которое и определяет все тепловые свойства тел. Было введено понятие внутренней энергии тела, обусловленной тепловым движением составляющих его атомов и молекул, которая пропорциональна температуре тела. Под количеством теплоты стали понимать энергию, получаемую телом или отдаваемую им в окружающую среду. В замкнутой системе, которая не имеет с окружающей средой ни теплового, ни механического взаимодействия, все протекающие в системе процессы регулируются внутренней энергией. Полное изменение энергии тела складывается из приращения количества теплоты и совершаемой работы. При этом работа не является функцией состояния тела (как в механике, например, потенциальная и кинетическая энергия), а характеризует происходящий с телом процесс, затрагивающий изменение его внутренней энергии, и зависит от способа перехода в другое тепловое состояние. Представление о термодинамическом равновесии и понятие энтропии (от гр.
evxpoma - поворот, превращение), отражающее количественную меру необратимости протекающих тепловых процессов, привели к открытию новой закономерности тепловых процессов. По определению Клаузиуса элементарная энтропия - это отношение количества теплоты (в калориях) к соответствующей температуре (AQ/7). Полная энтропия равна сумме таких элементов. При смешивании жидкостей или газов с различной температурой их общая температура снижается, а суммарная энтропия увеличивается 56. В 1865 г. Клаузиус формулирует новый закон термодинамики для равновесных систем: при всех процессах суммарная энтропия системы возрастает. Эта закономерность касается полных систем, включающих не только данное тело, но и его окружение (например, вода + окружающий воздух). Тенденция к возрастанию энтропии определяет направление многообразных процессов в природе, указывая направление потока тепла, химической реакции, движение сжатого газа при наличии свободного пространства. Это положение Клаузиуса получило название второго начала термодинамики. Физика XIX в. установила, что в телах скрыта огромная тепловая энергия. Инженеры и ученые XIX в. пытались изобрести машину, которая бы отбирала тепловую энергию от окружающей среды и всю ее превращала в работу. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя второго рода. Первый закон термодинамики не ограничивал возможностей превращения тепла в механическую работу. Однако сформулированное в середине века второе начало термодинамики говорило о принципиальной невозможности такой машины из-за возрастания энтропии. Механическая работа может переходить в тепло (например, в результате трения), но обратный процесс превращения тепла в механическую работу в замкнутой системе невозможен, поскольку макроскопическое тело всегда переходит в более вероятное состояние, в частности менее нагретое. Так, например, невозможно получить горячий пар, просто разделяя холодную и горячую компоненты воды. В реальной ситуации потоки холодной и горячей воды смешиваются, температура выравнивается, происходит отдача тепла в окружающее пространство, а не наоборот.
Сади Карно впервые обратил внимание на то обстоятельство, что запрет второго закона термодинамики относится к замкнутой системе, состоящей из непосредственно контактирующих тел с различной температурой. Если между горячим и холодным телом поместить разъединяющее их третье тело, можно осуществить и превращение тепла в работу, и перенос тепла от холодного тела к горячему. Принципиальная схема тепловой машины Карно включала три тела: нагреватель (тело с высокой температурой), холодильник (тело с низкой температурой) и рабочее тело, которое при неизменной внутренней энергии обеспечивает постоянный круговой процесс теплообмена. Такой круговой процесс получил название термодинамического цикла. Цикл Карно состоял из процессов изотермического и адиабатического расширения и сжатия идеального газа. В физике тепловых процессов идеальный цикл Карно играет очень важную роль, указывая пределы превращения тепловой энергии в механическую работу. Коэффициент полезного действия цикла Карно максимален для тепловых машин и определяется только разностью температур холодильника и нагревателя. Запас энергии, который в принципе можно превратить в полезную работу, назвали свободной энергией. В самопроизвольно протекающих процессах свободная энергия непрерывно уменьшается, а суммарная энтропия возрастает. Этому способствует и человечество, сжигая ежеминутно миллионы тонн угля и нефти.
<< | >>
Источник: под ред. В. П. Горюнова. История и философия науки. Философия науки : учеб. пособие. 2012

Еще по теме § 4. Философские основания классической физики - механическая картина мира и динамический детерминизм:

  1. Глава 14. Рассуждения, используемые в гуманитарных областях знания
  2. Лекция 4. Божественность и самоубийство: "тайна вулкана, тайна мятежа"
  3. ВАРИАЦИЯ ТРЕТЬЯ (ДЕКОНСТРУКТИВНО-БИОГРАФИЧЕСКАЯ)
  4. Философские исследования в постсоветский период
  5. Бифуркации, неустойчивость и самоорганизация в естественной науке и натурфилософии
  6. 4.2. Дополнительность и эмерджентность как фундаментальные принципы социальной динамики
  7. 4.3. Постнеклассическая интерпретация телеологической детерминации