Термодинамика реальных процессов

Вейник Альберт Иозефович

Указанные черты настолько интересны и важны, что это заставило меня выделить особый класс условно простых контактных явлений, происходящих вблизи границы (поверхности) раздела различных тел (сред); к ним относятся само фильтрационное, поэтому его можно назвать также поверхностно-гидродинамическим, поверхностно-диффузионное, поверхностно-дислокационное, поверхностно-фазовое, поверхностно-вермическое, поверхностно-химическое (каталитическое) и многие другие явления. В гл. XXIII подробно обсуждаются поверхностно-электрический и поверхностно-фильтрационный эффекты, которые позволяют преобразовывать теплоту окружающей среды в электроэнергию или работу с КПД 100%. Но самое широкое практическое применение в настоящее время нашло поверхностно-химическое (каталитическое) явление, о котором упоминается в следующем

параграфе. Все это позволяет лучше понять суть обсуждаемого вопроса [ТРП, стр.281-282].

 25. Условно простое каталитическое явление.

Суть поверхностно-химического (контактного) явления заключается в том, что на границе соприкосновения всевозможных веществ сильно изменяются их термодинамические свойства, в том числе химический потенциал. Причем у разных веществ это изменение химического потенциала не одинаково. В результате первоначальные разности потенциалов между веществами либо возрастают, либо уменьшаются. Благодаря этому, например, вблизи поверхности твердого тела существенно ускоряются или замедляются химические превращения, причем само тело в реакции не участвует, его роль заключается только в том, чтобы воздействовать на химические потенциалы реагирующих веществ; разумеется, интенсивность этого воздействия зависит от конкретных термодинамических свойств каждого данного вещества. На практике соответствующие эффекты были обнаружены давно и получили наименование катализа, однако истинный физический механизм каталитического явления долгое время оставался загадочным. Казалось очень странным, что катализатор - твердое, жидкое или газообразное тело - в состав продуктов реакции не входит, на скорость процесса он влияет одним лишь фактом своего присутствия.

Теперь ясно, что катализ есть частный случай большого класса весьма интересных условно простых явлений, наблюдаемых вблизи поверхности соприкосновения тел. Эти явления хорошо представлены, например, в термодинамической паре, и изучать их надобно методами ОТ [21]. На сегодняшний день только катализ весьма успешно применяется на практике, однако надо думать, что со временем и другие явления этого класса тоже будут удостоены внимания исследователей и инженеров.

При количественном определении каталитического явления следует пользоваться понятиями и величинами, входящими в уравнение (267). Трудность вопроса заключается в том, что пока не существует универсального метода определения химического потенциала всевозможных тел, находящихся в различных условиях. Однако преодолеть эту трудность должны помочь законы ОТ.

Что касается других поверхностных явлений, то, например, поверхностно-фазовое может определяться по формуле (268). Оно интересно в теоретическом и практическом плане, ибо известно, что в тонких капиллярах вода замерзает при температурах значительно ниже нуля, а кипит при температурах более ста градусов - это есть следствие влияния стенок капилляров. Поверхностно-диффузионное явление, описываемое уравнением (270), оказывает существенное влияние на процесс диффузии в пристеночном слое, где, в частности, возникают эффекты, характерные для термодинамической пары [21]. Поверхностно-диффузионное явление нельзя не учитывать при изучении процессов кристаллизации; вместе с поверхностно-гидродинамическим оно определяет все, что происходит на границах раздела кристалла и жидкой фазы, а также в зоне соприкосновения растущих кристаллов и т.д.

Все рассмотренные выше условно простые явления не отличаются особо высоким уровнем эволюционного развития. Поэтому для иллюстрации возможностей ОТ завершим данный перечень описанием группы весьма сложных явлений, которые в соответствии с методом подмены тоже допустимо рассматривать как условно простые [ТРП, стр.282-283].

 26. Условно простое ощущательное явление.

Здесь речь пойдет о группе ощущательных явлений, включающих в себя зрение, слух, осязание, обоняние, вкусовые ощущения и т.д. При их обсуждении внимание обращается только на конечный результат и начальный этап внешних раздражений. Физический механизм возбуждения соответствующих рецепторов, преобразования принятого сигнала, передачи его в центральную нервную систему и дальнейшей переработки поступившей информации нас не интересует. При такой

постановке вопроса, согласно методу подмены, сложные ощущательные явления допустимо рассматривать как условно простые и применять к ним изложенный выше аппарат ОТ. При этом могут быть установлены многие интересные закономерности, имеющие определенное практическое значение. Разумеется, ни с одним из ощущений невозможно сопоставить какое-либо специфическое ощущательное простое вещество, поэтому нельзя требовать, чтобы все начала ОТ выполнялись строго и по всем пунктам. В общем случае ощущательные явления могут быть охарактеризованы экстенсором Еощ и интенсиалом Рощ , ощущательная работа

dQощ = РощdЕощ = dU (273)

Согласно известному психофизическому закону Вебера-Фехнера, прирост любого ощущения пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражений. Это позволяет создать удобную шкалу для измерения ощущательного интенсиала. Имеем

Рощ = k log(J/J0) (274)

где k - коэффициент пропорциональности, в общем случае величина переменная; J - интенсивность внешнего раздражения; J0 - интенсивность раздражения на пороге чувствительности; при меньшей интенсивности раздражения организм его не воспринимает [18, с.49; 21, с.123].

Если считать, что коэффициент k имеет нулевую размерность, тогда ощущательный интенсиал окажется величиной безразмерной, а экстенсор будет иметь размерность энергии (Дж). Так, универсальная количественная мера - энергия попадает в разряд условных объектов переноса.

Применительно к зрительному ощущению под J понимается мощность потока световой энергии (Вт/м2). По данным биофизики, порог зрительного ощущения J0 находится в области очень малых энергий: достаточно всего 5-7 квантов света (фотонов), чтобы возникло зрительное ощущение. Соотношения (273) и (274) в равной мере справедливы как для полного потока световой энергии, так и для отдельных его составляющих, относящихся к различным участкам спектра. При таком подходе с помощью ОТ удается установить весьма любопытные закономерности взаимного влияния воспринимаемых глазом цветов, что было успешно использовано на практике английской фирмой «Ай-Си-Ай» при подборе красителей для тканей [18, с.364].

Интенсивность слухового раздражения, как и зрительного, принято оценивать удельной энергией (Вт/м2). Например, в случае слухового явления величина J в формуле (274) соответствует силе звука (Вт/м2), a J0 - силе того же звука на пороге слышимости (Вт/м2). Интенсиал Рощ при k = 1 приобретает смысл так называемого уровня (громкости) звука, его принято измерять в белах. В результате экстенсор имеет размерность Дж/Б. Совместное изучение зрительного и слухового явлений методами ОТ позволяет подвести теоретическую базу под широко известные свето- и цветомузыкальные эффекты.

В условно простом осязательном явлении J - это удельная энергия осязательного раздражения, Вт/м2, a J0 - удельная энергия того же раздражения на пороге чувствительности. Осязательное явление включает в себя целый комплекс ощущений: прикосновения, давления, движения, холода, теплоты, боли и т.д.

Обонятельное и вкусовое явления роднит между собой то обстоятельство, что у них обоих интенсивность внешнего раздражения оценивается с помощью концентрации C = J (кг/м3). В первом случае имеется в виду концентрация раздражителя в воздухе, а во втором - в жидкости. Пороговая концентрация С0 = J0 обонятельного раздражителя иногда бывает очень малой: например, для скатола (С9Н9N) она равна всего одной молекуле.

Перечисленные ощущательные явления представлены здесь весьма схематично. Кроме того, они не исчерпывают всего их многообразия. Вместе с тем они дают ясное представление о возможности применения в биологии простейших количественных методов ОТ, позволяющих изучать сложные явления с учетом их взаимного влияния [ТРП, стр.284-285].

 27. Условно простое экологическое явление.

Если ощущательные явления имеют дело только с одним объектом, то во многих других случаях приходится интересоваться большим множеством разнородных объектов, оказывающих влияние друг на друга. Анализ показывает, что и в этих случаях тоже можно плодотворно использовать метод подмены. Такие условия возникают, в частности, при обсуждении экологических проблем, отличающихся исключительной сложностью.