Именно данное их сохранение и позволяет понять, за счет чего же уменьшается энергия при протекании самопроизвольных физических процессов в замкнутых системах. Ведь из формул (1) и (2) хорошо видно, что при неизменном в данных условиях импульсе или заряде уменьшение энергии возможно только за счет возрастания соответствующей емкости и одновременного понижения сопряженного с ней потенциала! Этот очевидный математический вывод легко подкрепить и чисто физическими рассуждениями, рассмотрев истинную суть происходящего при помощи следующих максимально упрощенных (но не в ущерб строгости) мысленных экспериментов. Пусть, например, одно из тел в ходе упомянутого абсолютно неупругого столкновения первоначально покоится в выбранной системе координат, т. е. имеет в ней нулевой импульс. Тогда полный импульс данной замкнутой механической системы до столкновения просто равен импульсу второго тела, налетающего на первое. После столкновения, как уже было сказано, он остается неизменным, но только теперь данным импульсом характеризуется уже движение нового тела, образовавшегося в результате “слипания” двух исходных. Причем масса этого нового тела, понятно, принципиально больше массы одного только первоначально двигавшегося второго тела, что для сохранения самого импульса требует пропорционального уменьшения итоговой скорости нового тела по сравнению с начальной скоростью названного второго. Именно это и происходит на практике, что весьма наглядно может быть представлено как “распределение” или “растекание” исходного количества движения по кинетической емкости большей величины с обязательным понижением при этом самого кинетического потенциала.
То же самое легко можно продемонстрировать и на соответствующем примере из области электростатики, когда, скажем, первый из приводимых в контакт проводников электрически нейтрален, т. е. характеризуется нулевым зарядом и нулевым электрическим потенциалом, а второй имеет ненулевые значения этих характеристик. В итоге его заряд опять-таки просто перераспределится частично на первый проводник, “размазавшись” по большей электрической емкости и приведя тем самым к снижению итогового электрического потенциала образовавшегося нового единого проводника по сравнению с исходным потенциалом одного только второго. А значит, абсолютно справедлива и сама отмеченная выше общая закономерность – уменьшение энергии при самопроизвольных процессах в замкнутых системах всегда связано с возрастанием той конкретной емкости, по которой “распределяется” остающийся неизменным соответствующий заряд, и с обусловленным данным обстоятельством снижением общего потенциала, характеризующего рассматриваемое взаимодействие. Иначе говоря, сама обязательная убыль энергии в ходе любых самопроизвольных процессов в замкнутых системах просто отражает указанные взаимосвязанные изменения емкости и потенциала при неизменном их произведении, в чем и состоит в данном случае истинный физический смысл самой энергии вообще (являющейся, как теперь видно, просто особой формой выражения отмеченной универсальной закономерности).
Чтобы уже окончательно закрепить в умах читателей сформулированные в настоящем разделе очень простые сами по себе, но в то же время чрезвычайно важные для общего понимания природы выводы, покажем в его заключение абсолютную их справедливость и для рассматривавшегося в предыдущей статье процесса выравнивания уровня жидкости в сосуде без перегородок. В ходе этого самопроизвольного процесса достигает своего локального минимума, как специально отмечалось там, гравитационная энергия E, которая в данном конкретном случае может быть выражена следующей простой формулой:
E = mgh/2 = ρgVh/2 = ρgSh2 /2 = ρgV2/2S, (3)
где g – ускорение свободного падения тел вблизи поверхности земли, m – полная масса жидкости в сосуде, ρ – ее плотность, если жидкость однородна, V=Sh – объем этой жидкости, h – высота ее столба, S – средняя площадь сечения сосуда. Если считать сосуд цилиндрическим либо просто имеющим неизменную площадь сечения его любой горизонтальной плоскостью, перпендикулярной направлению силы тяжести, то его среднее сечение будет просто равно этому конкретному сечению. В данном случае оно представляет собой к тому же и собственно саму среднюю “гравитационную емкость” рассматриваемого сосуда, тогда как соответствующим “гравитационным потенциалом” выступает в случае однородной жидкости просто высота ее столба h (ибо величина ρg является константой и может рассматриваться в качестве фиксированного коэффициента). Произведение же гравитационной емкости и гравитационного потенциала дает, как и обычно, “гравитационный заряд”, в качестве которого здесь выступает просто сам объем жидкости V.
Рассмотрим теперь однотипный со всеми предыдущими мысленный эксперимент, в котором интересующий нас сосуд первоначально разделен непроницаемой для жидкости перегородкой на две части. Причем в первой из них жидкость вообще отсутствует, т. е. ее гравитационный заряд и гравитационный потенциал попросту равны нулю. В другой же части, напротив, жидкость есть, вследствие чего можно говорить об отличных от нуля обеих названных ее характеристиках. Если же теперь убрать перегородку, т.е. “привести в контакт” обе части нашего сосуда, то произойдет, как и обычно, частичное перераспределение соответствующего “заряда”, в результате чего “гравитационные потенциалы” в разделенных ранее его частях станут одинаковыми. При этом сама жидкость растечется, понятно, по большей площади, т. е. рассматриваемый заряд опять же распределится по принципиально большей емкости, что при неизменной величине самого заряда (объема жидкости) повлечет за собой снижение высоты ее общего столба по сравнению с той, каковой она была до извлечения перегородки во второй части сосуда. Уменьшится, естественно, что хорошо видно из формулы (3), и собственно гравитационная энергия, которая и здесь представляет собой на самом деле, как теперь ясно, всего лишь особый способ выражения взаимосвязанных изменений потенциала и емкости, произведение которых (собственно заряд) в замкнутых системах принципиально сохраняется.
Таким образом, можно подвести уже окончательный итог всему данному разделу вообще, универсальным правилом для всех рассмотренных в нем весьма разнородных физических явлений является сохранение в любых замкнутых физических системах именно определенного вида заряда! Соответствующая же ему емкость в ходе любых самопроизвольных процессов в этих системах обязательно растет с одновременным понижением сопряженного с ней (в формуле для данного заряда) потенциала, что иначе может быть выражено в виде снижения величины определяющей данный процесс энергии. Логично было бы ожидать также далее, что данная универсальная закономерность распространяется и на все остальные явления без каких-либо исключений, т. е. является попросту всеобщей. Но в том-то и дело, что в области тепловых явлений, как особо отмечалось в предыдущей статье, данная логика как будто бы не срабатывает, ибо изучающая их термодинамика утверждает сегодня нечто совершенно иное – по ее мнению энергия в ходе такого принципиально самопроизвольного процесса, как теплообмен, вообще не изменяется! Т. е. речь в ней идет о сохранении в замкнутых системах уже именно и только самой энергии, тогда как такая важнейшая физическая характеристика, как принципиально сохраняющийся заряд, в данном случае вообще не используется! Подобный вывод, как теперь видно, в корне противоречит основополагающим выводам всех остальных разделов физики, однако он все-таки был провозглашен термодинамикой в середине ХIХ века, а к сегодняшнему дню и вовсе приобрел уже характер попросту непререкаемой абсолютной истины.
Решающую же роль в этом заблуждении, подставившем затем подножку практически всей физике вообще, сыграли, как далее будет показано, некоторые принципиальные ошибки в описании самих тепловых явлений, к рассмотрению каковых мы и приступаем. Методологической основой для данного анализа вновь станет, как легко понять, прекрасно уже себя зарекомендовавший общий метод научных аналогий. Но только теперь с целью придания используемым аналогиям еще большей научной убедительности мы привлечем себе на помощь мнение авторитетов - будем специально цитировать далее весьма подробно знаменитую книгу Альберта Эйнштейна и Леопольда Инфельда “Эволюция физики”, где важные для нас научные аналогии широко используются самими авторами. К тому же сама эта книга отличается от очень многих прочих - гораздо более объемных и математизированных - чрезвычайно ясным взглядом на глубинную природу изучаемых явлений, свойственным лишь таким гениальным физикам, как собственно сам Альберт Эйнштейн. Изложенные в ней легко и просто глубочайшие на самом деле мысли встречаются в литературе крайне редко, но именно они и необходимы нам теперь в рамках той совершенно необычной задачи, которую далее предстоит решить.
2. О сущности понятия “количество теплоты”
Невозможно разделить науку на отдельные несвязанные разделы... Ход мыслей, развитый в одной ветви науки, часто может быть применен к описанию явлений, с виду совершенно отличных. В этом процессе первоначальные понятия часто видоизменяются, чтобы продвинуть понимание как явлений, из которых они произошли, так и тех, к которым они вновь применены.
А. Эйнштейн, Л. Инфельд
Приведенные сейчас в качестве эпиграфа чрезвычайно важные слова как раз и открывают тот особый раздел упомянутой выше книги Эйнштейна и Инфельда “Эволюция физики”, в котором кратко излагается история формирования науки о теплоте. “Самые основные понятия в описании тепловых явлений,- пишут названные авторы, непосредственно продолжая данную свою мысль, - ТЕМПЕРАТУРА И ТЕПЛОТА. В истории науки потребовалось чрезвычайно много времени для того, чтобы оба эти понятия были разделены, но когда это разделение было произведено, оно вызвало быстрый прогресс науки. Хотя эти понятия теперь известны каждому, мы исследуем их подробнее, подчеркнув различие между ними” [6, С.34].