Физические величины. Все они тем или иным образом связаны друг с другом и составляют глобальную систему природных постулатов. Эти положения признаются большинством деятелей науки. Постижение и использование всей совокупности вселенских взаимосвязей вряд ли доступно человечеству — даже если рассматривать в контексте истории человеческого рода. Однако физическую сущность и определенную системность в закономерных взаимосвязях известных нам на сегодня физических величин можно постичь уже сегодня, применяя системный размерностный анализ, то есть изучая используемые размерности физических величин и их соотношения. Многие из них выражают природные закономерности.
Обнаружение системности в расположении и взаимосвязях физических величин по аналогии с системой химических элементов Д. И. Менделеева позволяет многие факторы. Во-первых, уточнить характер или принцип строения структуры и взаимосвязей системных элементов. Во-вторых, правильная расстановка элементов системы позволяет выявить «белые пятна» и целенаправленно искать недостающие элементы системы. В-третьих, исходя из общих свойств системы, имеется возможность априори выявлять некоторые характерные свойства и признаки этих, еще не обнаруженных элементов, поскольку их свойства, как правило, определяются местоположением в системе. И, самое примечательное, что подтверждено на практике, правильно найденная система физических величин содержит в себе и систему природных закономерностей.
Размерность физической величины иее обозначение
Под физической величиной понимают качественную характеристику того или иного физического объекта материального мира, существующую как бы сама по себе (например, время и пространство).
Допустим, что мы договорились обозначать длину в любых уравнениях символом L (англ. length), а время- символом T (англ. time). Будем называть эти символы размерностями длины и времени, причем независимо от размера длины и времени.
Тогда размерность объема любого тела (газа, жидкости или твердого тела) всегда будет обозначаться символом 
, независимо ни от какого числового коэффициента, стоящего в уравнении расчета объема. Точно так же размерность скорости будет обозначаться символом 
. Теперь пусть на любой другой обитаемой планете длину и время обозначат другими символами. Заменить эти символы на L и T совсем не сложно. Но размерности объема и скорости и на Земле, и на другой планете будут одинаковыми.
Имеется еще несколько величин, считающихся в системе единиц СИ основными, их размерности имеют свои символы, например, размерность массы имеет символ М (англ. mass). Поэтому размерность такой величины, как сила, будет обозначаться в СИ выражением 
, чему соответствует в СИ единица 
, которая названа сокращенно Ньютоном (Н).
Следует всегда помнить, что формула размерности не является произведением размерностей, как это может показаться, судя по форме записи. Ведь символы M, L и T сами по себе не являются обозначениями каких-либо физических величин. Это такие же операторы как div, rot и 
(набла) в векторном анализе, как условные значки, обозначающие логические операции в булевой алгебре, как дифференциальный оператор s=d/dt, заменяющий условно операцию дифференцирования и т. д.
Запись — это просто последовательная запись символов размерностей в определенном установленном стандартном порядке, а вовсе не из произведения. Поэтому, в частности, лишена какого-нибудь смысла запись M+L+T, так как никто не станет записывать «кг+м+с».
Размерность физической величины — одна из важнейших ее характеристик, которую можно определить, как буквенное выражение, показывающее связь данной величины с величинами, принятыми за основные в рассматриваемой системе единиц. Для обозначения размерности основных величин системы СИ приняты большие буквы латинского алфавита: для длины — L, массы — М, времени — Т, силы электрического тока — I, термодинамической температуры — Θ, количества вещества — N и силы света — J. Размерности записывают прописными буквами и печатают прямым шрифтом. Кроме основных величин в системе СИ имеются две дополнительные: плоский угол и телесный угол. Единицами их измерения установлены радиан и стерадиан, они признаются безразмерными (таблица1).
Таблица 1
Основные идополнительные величины системы СИ
Все величины, не входящие в основные, называются производными. Единицы измерения производных физических величин устанавливаются строго определенным образом — по так называемым уравнениям связи. Например, скорость есть путь (длина), деленный на время. Уравнение связи для скорости v l / t. Поскольку длина и время входят в основные величины и их единицы измерения уже установлены, то единицей измерения скорости в системе СИ будет м/с, а в системе СГС см/с и никак не иначе. Размерности всех производных величин по форме представляют собой одночлен из обозначения размерности основных величин, имеющих определенные степени. Обозначение основной величины в степени 0 обычно используется. Например, размерность скорости имеет вид LT–1, размерность силы — МLT–2. Показатель степени, в которую возведена размерность основной величины, входящей в степенной одночлен, называют показателем размерности. Примеры обозначения в СИ размерностей других наиболее часто используемых величин приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наиболее широко используемые кинематические, механические итепловые физические величины
Размерности тепловых величин
В измерении тепловых величин в системе СИ используют метр [м], килограмм [кг], секунда [с] и Кельвин [К]. В качестве основных температурных шкал приняты абсолютная термодинамическая шкала температуры, которая измеряется в градусах Кельвина и стоградусная международная температурная шкала, измеряемая в градусах Цельсия. В данных температурных системах реперной точкой, то есть точкой отсчета, являются:
– тройная точка воды для термодинамической шкалы;
– температура плавления льда (0 ℃) и температура кипения воды (100 ℃) при нормальном давлении для международной шкалы.
Если международной системой все просто, то термодинамическая шкала требует пояснения. Под тройной точкой воды подразумевают точку с определенными значениями давления и температуры, при которых вода находится одновременно в трех состояниях. Значение давление равно 0,006 атм=611,657 Па, а значение температуры — 0,01 ℃=273,16 К (рисунок 1).
Рис. 1. Фазовая диаграмма воды
Понятие теплоты характеризует процесс теплообмена, определяемая количеством энергии, которое получает или отдает тело в процессе теплообмена. В СИ теплота измеряется в джоулях (1 Дж=1 кг·м2/с2=1 Н·м). Так же пользуются внесистемной единицей — калорией, которая равна 4,187 Дж. На практике с некоторым допущением за калорию принимают количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°С при атмосферном давлении.
Теплоемкость — количество теплоты, поглощаемой или выделяемой телом в процессе нагревания или остывания на 1 кельвин, находится, как отношение изменения количества теплоты и изменению температуры:
.
Различают теплоемкость массовую [ккал/(кг·°С)], мольную [ккал/(кмоль·°С)] и объемную [ккал/(м3·°С)].
Энтальпия, тепловая функция состояния тела, которая определяется как сумма внутренней энергии тела и произведения давления на объем:
Размерность данной величины будет Дж/моль. По своему физическому смыслу энтальпия представляет собой энергию, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных значениях температуры и давления.
Литература:
- Чертов А. Г. Единицы физический величин. — М.: Высшая школа, 1977. — 287 с.
- Чуев А. С., Задорожный Н. А. Введение в размерностное и системное представление физических величин. Учебное пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 18 с.
- Кононюк А. Е. Обобщенная количественные характеристики моделей. К.3. Ч. 2 Физические величины (Начало). — Киев: «Освіта України», 2012. — 476 с.
- Основные тепловые величины // ООО Свой Мастер & PoliStyle. URL: http://svoymaster.com/santehnika/osnovnye-teplovye-velichiny.html
- Кузнецов А. М., Муравлева Л. В. Введение в физику. Механика: Учебно-методическое пособие к семинарским и практическим занятиям для студентов инженерных специальностей. Тула: 2014. — 188 с.
