Термодинамика реальных процессов

В свете изложенного становится ясно, что величины U ,  U3  и  UЭ  различаются между собой весьма существенно. Энергия  U  сохраняет за собой право именоваться универсальной мерой количества поведения, которым располагает ансамбль. Энергии  U3  и  UЭ  тоже являются мерами количества поведения, но каждая из них характеризует только ограниченные частные свойства ансамбля, связанные с эффектами заряжания и экранирования, на частный характер этих энергий указывают индексы «З» и «Э».

Таким образом, в общем случае система располагает энергией  U . В процессах заряжания запасается часть этой энергии, равная  U3 . Величина  U3  поэтому является в известном смысле свободной энергией, ибо она получается в актах простого подвода или отвода различных веществ. В противоположность этому энергия   UЭ  обусловлена эффектом экранирования, связывания термического вещества внутри ансамбля. Это может служить основанием для того, чтобы наименовать величину UЭ  связанной энергией.

Данное здесь определение понятий «свободная и связанная энергии» существенно отличается от того, что в свое время было введено в термодинамику Гельмгольцем. Новое определение является вполне естественным, простым и наглядным, тем более что энергия  UЭ  имеет прямое отношение к связыванию между собой всех веществ ансамбля.

Действительно, при обсуждении обобщенного третьего закона Ньютона (параграфы 5 гл. X и 7 гл. XII) отмечалось, что порции разнородных веществ удерживаются друг подле друга в ансамбле не силами, а энергией. Соответствующие ей работы совершаются в ходе как специфических, так и универсального взаимодействий. Первые могут не только упрочнять ансамбль, но и ослаблять имеющиеся связи. Например, гравитационное взаимодействие между порциями массы упрочняет связи, а электрическое между одноименными квантами зарядов их ослабляет. Универсальное взаимодействие упрочняет ансамбль. При прочих равных условиях с ростом количества экранированного термического вещества энергия  UЭ  и интенсиалы, а следовательно, и интенсивность всех взаимодействий, включая универсальное, возрастает, а значит, растет и энергия связи внутри ансамбля, его прочность.

В общем случае соотношение между энергиями  U3  и  UЭ  может быть самым различным. В первую очередь это зависит от свойств ансамбля, определяемых уравнением состояния, от условий взаимодействия системы и окружающей среды и т.д. В отдельных частных случаях удается легко найти указанное соотношение. Одновременно очень четко выявляется ограниченность в известном смысле первого начала термодинамики.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, проинтегрируем правую часть уравнения (220) по  Р , а уравнения (222) – по  Е . Тогда из выражения (225) получается следующий любопытный результат:

dU = ? PdE – ЕdР      (226)

Применив это выражение к условиям образования ансамбля, когда его интенсиал возрастает, а экранированное термическое вещество поглощается, будем иметь

dU = PdE + ЕdР = d(РЕ)     (227)

Проинтегрируем это уравнение и положим константу интегрирования равной нулю. Находим

U = РЕ       (228)

Формула (228) хорошо проясняет смысл прежних равенств (210) и (215), найденных с помощью пятой и шестой характеристических функций. Одновременно становится понятным, почему длительное применение в термодинамике свободной энтальпии (167), энтальпии (184) и свободной энергии (199) не столкнулось с противоречиями - ведь эти характеристические функции сконструированы из слагаемых, в число которых входит энергия и произведения интенсиала на экстенсор. Причина здесь простая: структуры энергии (см. формулу (228)) и указанных произведений тождественны между собой. В последнее время, опираясь на такую структуру энергии, много весьма ценных результатов получил болгарский ученый М. Механджиев [54, 57].

Теперь должно быть совершенно ясно, что возможность выражать энергию с помощью слагаемых типа (228) есть следствие существования одновременно двух эффектов: заряжания и экранирования. Интересующее нас соотношение между энергиями  U3  и  UЭ  приобретает самый простой вид в частном случае идеальной системы, когда коэффициенты уравнения состояния  А  и  К  постоянны. В этих условиях энергия заряжания  U3  в точности равна энергии экранирования  UЭ , в совокупности они составляют полную энергию  U  (об этом более подробно говорится в параграфе 3 гл. XVI). В других случаях разница между величинами U3  и  UЭ  оказывается весьма значительной, как это имеет место, например, в условиях лазерной накачки, когда система достигает высокой степени неравновесности. Луч лазера - это и есть выделяющееся термическое вещество, которое входит в состав ансамблей, именуемых фотонами. В общем случае выделение (и поглощение) термического вещества может происходить не только с фотонами: все зависит от конкретных свойств системы и окружающей среды, в частности, известные различия в механизме переноса могут наблюдаться в газах, жидкостях и твердых телах. В химии часто соблюдается условие (228), этим и объясняются результаты М. Механджиева [54, 57].