Дорохов И.Н. Системно-энергодинамический анализ природных и технологических процессов

Оглавление

От издательства

Эта книга продолжает серию «Relata Refero» (дословный перевод — «рассказываю рассказанное»).

Под этим грифом издательство предоставляет трибуну авторам, чтобы высказать публично новые идеи в науке, обосновать новую точку зрения, донести до общества новую интерпретацию известных экспериментальных данных, etc.

В споре разных точек зрения только вердикт Великого судьи — Времени — может стать решающим и окончательным. Сам же процесс поиска Истины хорошо характеризуется известным высказыванием Аристотеля, вынесенным на обложку настоящей серии: авторитет учителя не должен довлеть над учеником и препятствовать поиску новых путей.

Мы надеемся, что публикуемые в этой серии тексты внесут, несмотря на свое отклонение от установившихся канонов, свой вклад в познание Истины.

Рецензия

Монография в виде фундаментального аналитического критического обзора представляет собой продолжение серии монографий автора, опубликованных совместно с соавторами под общим названием «Системный анализ процессов химической технологии». Излагаемый материал лежит на стыке трех важнейших направлений науки последних десятилетий: системного анализа в естествознании, термодинамики как науки о сохранении и превращении энергии, математического моделирования физического вакуума. В результате синтеза идей указанных направлений автор выдвинул и обосновал новую концепцию системно-энергодинамического подхода к исследованию природных и технологических процессов, что позволило установить новые фундаментальные положения о природе материи и процессах, происходящих в ней.

В первой части рассмотрены результаты предлагаемого подхода к анализу природных процессов. Исходя из того, что закон сохранения энергии — это единственный закон, который не имеет ограничений, он поставлен «во главу угла» современного естествознания. Это, в свою очередь, обусловило принципиально новую методологию научного исследования. Она вводит в уравнения термодинамики время, скорость, силу, производительность реальных процессов и отказывается от идеализации процессов и систем, отражаемой в понятиях «равновесный», «обратимый», «квазистационарный», «идеальный» и т. д., а также от любых модельных представлений при разработке основ теории. В то же время сохраняется универсальность методологического аппарата классической термодинамики и ее основное достоинство — непреложная справедливость его следствий. Такой подход позволил автору обобщить понятие силы как меры неоднородности системы, значительно расширить классификацию движущих сил и обнаружить не известные ранее силы. Это, в свою очередь, обусловило установление ряда новых фундаментальных мировоззренческих положений, касающихся природы материи. Положительным результатом нового подхода является возвращение науке возможность выполнять ее основную функцию — объяснять явления природы и активно их использовать на благо человека.

Во второй части показано, как на базе предложенной концепции трансформируются подходы к анализу технологических процессов преобразования различных форм энергии. Автор обобщает основной закон об энергии, который становится законом не только сохранения, но и превращения энергии. Формулирует универсальные критерии подобия энергопреобразующих устройств и дает примеры анализа нагрузочных характеристик тепловых и нетепловых машин. Развенчивает миф о полной превратимости нетепловых форм энергии. Автор вскрывает возможности использования энергии потенциальных силовых полей, когда работу совершают не сами силы, а их моменты. Все это позволяет заложить основы теоретической базы важной проблемы извлечения энергии из разнообразных силовых полей. В результате показано, что системно-энергодинамический подход может служить реальной основой для создания единой теории поля.

В третьей части рассмотрены актуальные вопросы новой энергетики и устойчивого развития с позиций системно-энергодинамического подхода. Автор обосновывает поистине революционный результат этого подхода, состоящий в реальности перспективы перехода к новой энергетике с ее соответствующими атрибутами — персональными мобильными установками для получения свободной энергии в неограниченном количестве в любой точке планеты. Обращаясь к проблеме устойчивого развития, автор, исходя из новой концепции, вскрывает специфический аспект этой проблемы, состоящий в том, что угрозу человечеству несут не столько нарушения экологии в результате научно-технического прогресса, сколько ошибки однобокого, «однополярного» мышления в науке без периодического возврата к исходным положениям с целью непрерывной коррекции научных парадигм в соответствии с накапливаемыми опытными данными.

В целом, книга представляет собой результат большого и оригинального научного критического анализа состояния современного естествознания, несомненно заслуживающего внимания широкой научной общественности. Книга будет полезна студентам старших курсов, аспирантам, научным работникам и всем, кто интересуется проблемами мироздания и старается разобраться в современной физической картине мира.

Академик РАН, член Бюро Отделения химии

и наук о материалах РАН В. П. Мешалкин

Отзыв

Большое спасибо за монографию. Приятно видеть использование теории эфира в учебном процессе. Я думал, что до этого дойдет в лучшем случае лет этак через двадцать. Но видно действительно уже назрела и перезрела необходимость смены парадигм физического устройства мира. Осталось подтвердить теорию технологическими прорывами, над чем мы сейчас и работаем.

С уважением и поддержкой всех Ваших начинаний.

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» РАН, профессор кафедры нелинейных динамических систем и процессов управления факультета вычислительной математики и кибернетики (ВМК) МГУ имени М. В. Ломоносова, кафедры системных исследований факультета управления и прикладной математики МФТИ Н. А. Магницкий

Предисловие

Предлагаемая читателю книга представляет первую попытку систематического изложения новой, термодинамической в своей основе методологии анализа природных и технологических процессов, отличающейся от общепринятой как по своей логической структуре, так и по принципам построения. Совсем кратко эту методологию можно определить как системно-энергодинамический подход к анализу процессов. Как известно, системный подход — это методология исследования, в основе которой лежит рассмотрение объекта как целостного множества элементов со всеми присущими ему отношениями и связями между ними. Особенностью такого подхода является изучение части через целое (в отличие от традиционного изучения целого через части). Необходимость такого подхода возникает тогда, когда свойства объекта как целостной системы определяются не только суммой свойств его отдельных элементов, но и свойствами его структуры, особыми системообразующими связями рассматриваемого объекта. Это предъявляет к объекту исследования особые требования, поскольку он должен по возможности включать всю совокупность взаимодействующих (взаимно движущихся) тел или их частей. В самом общем случае такая совокупность является замкнутой системой, ибо вне ее остаются только такие материальные объекты, взаимодействием которых можно на данном этапе пренебречь. Отсутствие взаимодействия с внешней средой означает и отсутствие энергообмена с ней. Поэтому такие системы называют также изолированными. Именно для таких систем были установлены законы сохранения энергии, массы, заряда, импульса и его момента, поскольку условием сохранения указанных величин было отсутствие внешних сил и их моментов. Едва ли нужно доказывать, насколько далеки существующие научные дисциплины от выполнения этого требования. Все они ориентированы на познание целого через его части и в соответствии с этим нередко рассматривают в качестве объекта исследования элементарные частицы, лишенные пространственной протяженности и структуры, и как бы находящиеся «в пустом пространстве». При этом из рассмотрения исключается внешняя среда, действие которой заменяется абстрактными, невесть откуда взявшимися силами или «взаимодействиями».

Научной дисциплиной, максимально придерживающейся методологии системного подхода, является в настоящее время термодинамика, о которой А. Эйнштейн отозвался как о «единственной физической теории общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута (к особому сведению принципиальных скептиков)». Ее дедуктивный метод исследования (по принципу «от общего к частному») признаёт систему и окружающую ее среду равноценными партнерами, обменивающимися энергией в одной и той же или различной форме. Это делает ее, как справедливо отмечал М. Планк, «замечательной научной системой, детали которой ни по красоте, ни по блестящей законченности не уступают всей системе в целом». К основным достоинствам термодинамического метода исследования относятся отсутствие в ее основаниях каких-либо гипотез и модельных представлений о структуре материи на более глубоком, нежели изучаемые объекты, иерархического уровня. Она не требует знания механизма микропроцессов, лежащих в основе наблюдаемых явлений. Ее математическая структура базируется на свойствах энергии системы как функции определенного числа параметров их состояния. Все остальные сведения о свойствах систем она получает из опыта в качестве своего рода условий однозначности. Это придает термодинамике ценнейшее свойство — непреложную справедливость ее следствий в пределах применимости этих условий однозначности.

Однако классическая термодинамика не содержит времени в качестве физического параметра, и ей чуждо понятие скорости процесса как одного из важнейших показателей их эффективности. Этот недостаток был устранен в термодинамике необратимых процессов (ТНП), превратившейся в первой половине XX столетия в весьма общий макрофизический метод исследования кинетики разнообразных процессов переноса в их неразрывной связи с тепловой формой движения. Это направление обогатило теоретическую мысль XX столетия рядом новых принципов общефизического значения (взаимности, минимального производства энтропии и т. п.) и способствовало существенному сближению термодинамики с механикой сплошных сред, теорией тепломассообмена, гидродинамикой, электродинамикой и т. п. Междисциплинарный характер этой теории, а также ее успехи в познании глубинных взаимосвязей разнородных процессов и объяснении явлений на стыках наук выдвинули ТНП в число магистральных направлений развития современного естествознания. По мнению И. Пригожина, высказанному в его нобелевской лекции, «термодинамические концепции призваны играть в современной науке всё возрастающую роль».

Вместе с тем ТНП, созданная путем экстраполяции классической термодинамики на неравновесные системы, ограничивалась рассмотрением чисто диссипативных процессов типа теплопроводности, диффузии, электропроводности вязкости и т. п., не затрагивая процессы полезного преобразования соответствующих видов энергии. Такая ограниченность ТНП явилась следствием того, что основные величины, которыми оперировала эта теория — термодинамические силы и потоки — находились в ней на основе выражения для скорости возникновения энтропии, на которую полезная работа, как известно, не влияет. Нагляднее всего это проявилось в отсутствии в ТНП таких понятий, как КПД, полезная работа и мощность. В результате вне компетенции этой теории оказалась обширнейшая область процессов с КПД выше нуля, которая в основном и интересует инженеров-энергетиков.

Между тем потребности целого ряда областей науки и техники диктуют необходимость обобщения ТНП на технические, биологические, экологические и т. п. системы, осуществляющие полезное преобразование энергии. Это касается не только технических устройств, эффективность которых определяется в конечном счете именно соотношением скоростей полезных и диссипативных энергопревращений. В не меньшей степени она относится к биологическим объектам, для которых работа является одним из основных проявлений их жизнедеятельности, а также к экологическим системам, где скорость превращения вещества и энергии наряду с их рассеянием определяет восстановительный потенциал природной среды. Анализ процессов «самоорганизации», наблюдающихся на всех уровнях мироздания (от «восходящей диффузии» до антидиссипативных явлений в ряде областей Вселенной), также является неполным без учета упорядочивающего влияния внутренней или внешней работы. Возникшая проблема синтеза теорий переноса и преобразования энергии была решена в нашей докторской диссертации «Синтез и новые приложения теорий переноса и преобразования энергии» (М., МЭИ, 1998) и в основанных на ней монографиях «Термокинетика» (1989) и «Энергодинамика» (2008). Первая из них дала новое, свободное от постулатов и соображений статистико-механического характера обоснование основных положений ТНП, и потому была рекомендована Минвузом в качестве учебного пособия для вузов. Вторая распространила термокинетический метод на нетепловые формы энергии и нетепловые машины, и была удостоена медали Лейбница Европейской академии естественных наук (ЕАЕН).

Энергодинамика сохраняет основные достоинства термодинамического метода: в ее основаниях нет каких-либо гипотез и постулатов, ей чужды модельные представления о механизме протекающих в микромире процессов и молекулярной структуре исследуемых систем. Математическое обоснование этой теории базируется на свойствах энергии системы как функции определенного числа параметров их состояния, привлекает все остальные сведения о свойствах объекта исследования из опыта в качестве своего рода условий однозначности. Это позволяет энергодинамике сохранить все достоинства классической термодинамики как строго дедуктивного метода, главным из которых является непреложная справедливость ее следствий в пределах применимости упомянутых условий однозначности.

Предлагаемая книга содержит изложение следствий этих методологических особенностей энергодинамики пока что в основном в области природных процессов. В ней подчеркивается универсальность методологического аппарата энергодинамики и его основное достоинство — непреложная справедливость его следствий. Данный подход позволяет обобщить понятие силы как меры неоднородности системы, ввести классификацию движущих сил и обнаружить не известные ранее взаимодействия. Это, в свою очередь, приводит к установлению новых фундаментальных мировоззренческих положений, касающихся природы материи и процессов, происходящих во Вселенной как целом.

Особое место в книге занимает модель эфира Н. А. Магницкого как один из приложений системно-энергодинамического подхода к изучению структуры материи. Эта модель исходит из волновой концепции строения материи и является следствием приложения теории к формулировке условий однозначности в виде системы уравнений сохранения массы и импульса эфира. Учет свойства невязкого и осциллирующего в неограниченном диапазоне частот эфира даже при упрощающем допущении о сжимаемости эфира дал поразительные результаты благодаря совмещению достоинств термодинамики с мощным аналитическим аппаратом механики сплошной среды.

Такой подход с общих позиций энергодинамики позволил избавиться от многих несуразностей квантовой механики и ТО, найдя при этом варианты модели электрона, протона, нейтрона, атома и его ядра с уникальной степенью совпадения магнитных моментов электрона, протона и нейтрона с экспериментом. Эта часть книги с не меньшей ясностью свидетельствует об особой тяжести методологических ошибок последователей квантово-релятивистской революции, к которым относятся пророческие строки поэта В. Брюсова:

Поэтому можно надеяться, что книга окажется весьма полезной для молодых исследователей, ищущих пути выхода из создавшегося «кризиса непонимания» теоретической физики.

От автора

Исходя из результатов, полученных в области совершенствования системного подхода в естествознании, новых идей в термодинамике и математического моделирования физического вакуума, в книге сформулирована новая концепция системно-энергодинамического анализа природных и технологических процессов на основе обобщенных функций. Показана основополагающая роль обобщенных функций в данной концепции. Она позволяет единым образом описывать свойства и поведение как сплошных, так и корпускулярных сред, основываясь на дедуктивном методе научного исследования (от общего к частному) и рассмотрении любого объекта исследования в виде системы как целого. При этом сохраняется универсальность и строгость методологического аппарата классической термодинамики, который распространяется на пространственно неоднородные (внутренне неравновесные) системы с протекающими в них необратимыми процессами переноса и преобразования энергии. Это открывает путь к установлению новых не известных ранее фундаментальных положений о природе материи.

Монография, написанная в виде аналитического критического обзора, представляет собой продолжение серии изданий автора под общим названием «Системный анализ процессов химической технологии» (издательство «Наука») и является обобщением лекций автора за последние 5 лет, читаемых в Российском химико-техноло-гическом университете имени Д. И. Менделеева.

В первой части рассмотрены результаты системно-энергодина-мического подхода к анализу природных процессов. Исходя из того, что энергия — самая общая характеристическая функция состояния физической системы, производные от которой по независимым аргументам определяют все свойства данной системы, а закон сохранения энергии — это единственный закон природы, который не имеет ограничений, он поставлен «во главу угла» современного естествознания. Это, в свою очередь, обусловило принципиально новую методологию научного исследования. Она вводит в уравнения термодинамики время, скорость и производительность реальных процессов и отказывается от идеализации процессов и систем, отраженный в понятиях «равновесный», «обратимый», «квазистатический», «идеальный» и т. д., а также от любых модельных представлений при разработке основ теории. В то же время сохраняется универсальность и строгость методологического аппарата классической термодинамики и его основное достоинство, состоящее в непреложной справедливости его следствий. Данный подход позволяет обобщить понятие силы как меры неоднородности системы, ввести классификацию обобщенных сил и обнаружить не известные ранее силы. Это, в свою очередь, приводит к установлению новых фундаментальных мировоззренческих фактов, касающихся природы материи.

Во второй части показано, как на базе системно-энергодина-мической концепции естествознания трансформируются подходы к анализу технологических процессов преобразования различных форм энергии. При этом основной закон об энергии обобщается и становится законом сохранения и превращения энергии. Сформулированы критерии подобия энергопреобразующих устройств и даны примеры анализа нагрузочных характеристик тепловых и нетепловых машин. Развенчан миф о полной превратимости нетепловых форм энергии. Вскрыты возможности использования энергии потенциальных силовых полей, работу в которых совершают не сами силы, а их моменты. Показано, что системно-энергодинамический подход может служить реальной основой для создания единой теории поля.

В третьей части рассмотрены актуальные вопросы новой энергетики и устойчивого развития с позиций системно-энергодинамического подхода к естествознанию. Здесь показано, что революционный результат такого подхода состоит в переходе к новой энергетике с ее соответствующими атрибутами — мобильными персональными установками для получения свободной энергии в неограниченном количестве в любой точке планеты. Обращено внимание на актуальность проблемы устойчивого развития. Угрозу существования человечеству несут не столько сами нарушения экологии в результате научно-технического прогресса, сколько ошибки однобокого («однополярного») мышления в науке без периодического возврата к исходным положениям и коррекции научных парадигм в соответствии с накопленными знаниями.

Книга предназначена для научных работников, аспирантов, студентов старших курсов и всех, кто интересуется проблемами мироздания и старается разобраться в современной физической картине мира.

Отметим, что как научное направление энергодинамика сформировалась, в основном, в работах российской научной школы. Термин «энергодинамика» был введен российским ученым А. И. Вейником (1991), а исходные научные положения этого направления были сформулированы в докторской диссертации В. А. Эткина «Синтез и новые приложения теорий переноса и преобразования энергии», защищенной в 1998 году на заседании Диссертационного совета Московского энергетического института по специальности 05.14.05 — Теоретические основы теплотехники. Данная диссертация и последующие монографии автора на эту тему [4, 19, 42] явились прямым продолжением отечественных научных школ в области термодинамики А. А. Гухмана [115], А. И. Андрющенко [92] и др.

Идеи математического моделирования эфира и структуры основных элементарных частиц, выдвинутые Н. А. Магницким, активно обсуждались на научных семинарах физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, посвященным новым направлениям в науке и новой интерпретации известных экспериментальных данных [65, 66, 144, 145].

В становлении методологии системного анализа и его роли в познании законов природы и общества существенную роль сыграли отечественные научные школы Института проблем управления имени В. А. Трапезникова РАН [146, 147].

Немаловажную роль в становлении системно-энергодинами-ческой концепции естествознания сыграл системный подход в естествознании, развиваемый на кафедре кибернетики химико-тех-нологических процессов Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева с 1975 года по настоящее время, а также возможность свободного обмена идеями общенаучного фундаментального характера через Интернет как прообраз «Всемирного мозга» («Global Brain») [12–15, 150–153].

Особую благодарность автор выражает проф. Эткину В. А. за ценные замечания, советы и дополнения по содержанию книги.

Автор также благодарит аспиранта кафедры кибернетики химико-технологических процессов РХТУ имени Д. И. Менделеева О. Ю. Кожухарь за помощь в подготовке материала к печати.

Об авторе

Дорохов Игорь Николаевич

Доктор технических наук (1981), профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов РХТУ имени Д. И. Менделеева, на которой работает с 1964 года по настоящее время. Окончил МВТУ имени Н. Э. Баумана (1964) и механико-математический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова (1973). В монографии «Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии» (1976) обосновал новое научное направление — системный анализ процессов химической технологии.

Лауреат премии имени Д. И. Менделеева Президиума Академии наук СССР 1978 года за серию монографий и статей в Докладах АН СССР по указанному научному направлению. Автор более 500 научных работ, в том числе 15 монографий и 5 учебных пособий. Подготовил 70 кандидатов и 25 докторов наук. Заслуженный деятель науки РФ, президент Международной академии системных исследований (МАСИ).