Макроквантовый термодинамический метод расчетного анализа термовлажностных процессов в пористых материалах

Москва
ИНФРА-М
2024

МАКРОКВАНТОВЫЙ 
МАКРОКВАНТОВЫЙ 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД 
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД 

РАСЧЕТНОГО АНАЛИЗА 
РАСЧЕТНОГО АНАЛИЗА 
ТЕРМОВЛАЖНОСТНЫХ 
ТЕРМОВЛАЖНОСТНЫХ 

ПРОЦЕССОВ В ПОРИСТЫХ 
ПРОЦЕССОВ В ПОРИСТЫХ 

МАТЕРИАЛАХ
МАТЕРИАЛАХ

Ю.В. Светлов
Ю.В. Светлов

Монография

Светлов Ю.В.  
Макроквантовый термодинамический метод расчетного анализа 
термовлажностных процессов в пористых материалах : монография / 
Ю.В. Светлов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 313 с. — (Научная 
мысль). — DOI 10.12737/3871.

ISBN 978-5-16-010673-1 (print)
ISBN 978-5-16-102687-8 (online)

Изложены физические основы квантового макроскопического механизма 
движения энергии в материальной среде и концепция ее субстанциональности. 
Представлены основные положения теории: квантово-термодинамические 
флуктуации, представления о виртуальных фотоне и фононе, 
механизм релаксации в макроячейке и др. Выполнен ряд решений, в частности 
получены уравнения для коэффициентов тепло- и массопроводно-
сти, позволяющие определять внутреннюю эффективную поверхность 
смачивания материала и находить ее связь с основными физконстантами 
материала. На базе предложенного метода анализируются термовлажност-
ные режимы теплоизоляционных и текстильных материалов и изделий.

УДК 530.1(075.4) 
ББК 22.3

УДК 530.1(075.4)
ББК 22.3
 
С24

© Светлов Ю.В., 2015
ISBN 978-5-16-010673-1 (print)
ISBN 978-5-16-102687-8 (online)

С24

Подписано в печать 29.05.2023.
Формат 6090/16. Печать цифровая. Бумага офсетная.
Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 19,57.
ППТ12. Заказ № 00000

ТК 335400-2069296-250315

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Р е ц е н з е н т ы:
С.П. Александров, д-р техн. наук, проф., акад., зав. кафедрой «Технология 
кожи, меха и изделий из кожи» Московского государственного университета 
им. К.Г. Разумовского, заслуженный работник высшей школы;
Л.И. Жмакин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Промышленная 
теплоэнергетика» Московского государственного университета дизайна 
и технологий

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

a – коэффициент температуропроводности, м2/с;
           – фундаментальная скорость (скорость света), м/с;
cp – удельная теплоёмкость, Дж/(кг·К);
cm – удельная массоёмкость, кг/(кг·ед.П); (единицей потенциала может 
быть мм.рт.ст. или Паскаль) ;
ci – полная теплоёмкость элемента конструкции (пластины, стержня) 
измерительной ячейки, Дж/К;
cs – скорость звука, м/с;
D – доля замедления процесса за счет фононного эффекта;
D – коэффициент молекулярной диффузии (аналог коэффициента 
теплопроводности), кг·м/(м2·с·ед.П);
Е – количество энергии, Дж;
ΔE – элементарная термодинамическая энергия, Дж;
divE – плотность потока тепловой энергии единицы элементарного 
объёма, Дж/(м3·К);
F – площадь поперечного сечения макроячейки, м2;
Fэф. – эффективная поверхность пористого материала, м2;
f – функция;
ħ = 1,055·10-34 Дж·с– постоянная Планка, делённая на 2π («разрешенный 
импульс»);
k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана (макроквант энтропии);
Km – коэффициент массопередачи, кг/(м2·с·Па); 
Kr – коэффициент релаксации
кV – формфактор макроячейки;
кT = Tраб/T0 – температурный коэффициент макроячейки;
L,l – длина, характерный размер, м;
М – расход (поток) влаги, кг/c;
М,   – масса влаги, приращение массы влаги, кг;
m – удельный поток массы, скорость сушки, кг/(м2·с); масса 
макроячейки, кг;
Р,р – давление, парциальное давление, Па (мм.рт.ст.);
Δp – неопределённость импульса, (м·кг)/с;
Δy – неопределённость координаты, м;
Q – количество теплоты, тепловая нагрузка, Дж/с;
r – радиус макроячейки, м; удельная теплота парообразования, Дж/кг;
Δr – макроскопически элементарный радиус электромагнитного 
возбуждения; элементарное приращение перемещения, м;
S – удельная массовая энтропия, Дж/(кг·К);
Sm – энтропия макроячейки, Дж/К;
Т – абсолютная температура, К;
Т0 = 273 К – эталонная температура, К;
ΔT – разность температур, К;
t – температура газа, парогазовой смеси, тела, °С;

3

u – влагосодержание, кг/кг;
V – объем макроячейки, м3;
wr – ассоциированная скорость частиц макроячейки, м/с;
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);
β – коэффициент массоотдачи, кг/(м2·с·ед.П);
δ – толщина тела (слоя, стенки), образца материала, м;
λ – коэффициент теплопроводности, Дж/(м·с·К);
λm – коэффициент массопроводности, кг/(м·с·ед.П);
μ – коэффициент динамической вязкости, Па·с;
ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;
П – равновесная плотность потока электромагнитного излучения 
(вектор Пойтинга); единица потенциала переноса массы (ед.П);
ρ – объемная плотность материала, кг/м3;
ρП – поверхностная плотность материала, кг/м2;
σ – компонента тензора деформация, Н/м2;
σT – область тепловыделения за время τ, К·м;
τ – время (продолжительность, период), с;
τr – время релаксации, с;
Δτ – минимальный макроскопический масштаб времени (дискрет 
времени), с;
φ – относительная влажность воздуха, %;
Ω – термический импульс внешнего воздействия на тело от среды, с·К;
ω – частота, с-1.
Подстрочные индексы:
расч – расчётные; экс – экспериментальный; эф – эффективный; 
р – изобарный; с – стержня; пл – пластины; r – релаксации; 
к – контактный; ск – скелетный; в – воздуха; пор – пористый; 
v – объёмный; ж – жидкости; п – пара; г – газа; м – материала; 
сумм – суммарный; m – массовый; раб – рабочий; зв – звука; 
т/д – термодинамический.

4

ВВЕДЕНИЕ

В 
последние 
десятилетия 
получило 
признание 
и 
уверенно 

развивается 
новое 
направление 
в 
физике 
для 
описания 

термодинамических 
закономерностей 
–
макроквантовая 
физика. 

Современные ученые рассматривают ее даже как альтернативу 
классической физике сплошной среды, а именно – феноменологической 
термодинамике 
[1]. В основе 
этого 
направления 
лежит 
идея 

макроквантования термодинамических параметров, а ряд полученных 
научных 
результатов 
показал 
целесообразность 
и 
высокую 

продуктивность метода. Активно поддерживал эту идею А.А. Гухман 
[2], а В.П. Майков [3] разработал и обосновал определенную программу 
расширения классической термодинамики, оставаясь в тоже время в 
области термодинамического равновесия. Для этого потребовался отказ 
от континуальных представлений и учет гравитационного поля. Он 
использует гипотезу о том, что подобно кванту энергии   должен 
существовать макроквант энергии   , который позволяет рассматривать 
макроскопические процессы как макроквантовые. Это позволяет автору 
анализировать 
термодинамическое 
равновесие 
как 
динамическое 

флуктуационное 
состояние 
с 
включением 
характерных 

пространственных и временных масштабов.

Принципиальным положением такого состояния является то, что в 

любой 
среде 
на 
границе 
микро- 
и 
макроуровня 
объективно 

формируются объёмы когерентности (макроячейки), которые являются 
источниками квантовых макроскопических эффектов. Фактически все 
макроскопические 
явления 
переноса 
представляют 
собой 

флуктуационное 
взаимодействие 
этого 
объёма 
(макроячейки) 
с 

окружающим пространством (материалом). 

Поскольку макроскопические квантовые эффекты проявляют себя 

постоянно и весьма разнообразно, то фактически эти свойства можно 
учитывать в макроскопических теориях, преобразованиях и других 
действиях, не обращаясь в каждом отдельном случае к физике 
микроуровня. Таким образом, можно говорить о существовании 
самостоятельной концепции макроквантовой физики. Применительно к
теплофизическим 
процессам 
тепломассопереноса 
такой 
подход 

позволил разработать макроквантовый термодинамический метод 
(МКТМ) для качественного анализа и
количественного
расчета 

термовлажностных процессов, в частности, в материалах и изделиях 
текстильной 
и
легкой 
промышленности.
Метод базируется на 

принципах квантовой физики относительно переноса энергии [4…7] и 
учении о непрерывности перехода от микро к макромеханике [8].

В принципе, феномен макроквантового эффекта не является 

совершенно новым. Первой фундаментальной работой, в которой 
достаточно четко была сформулирована идея единства, была книга Е. 
Шрёдингера 
(1926г.) 
«Непрерывный 
переход 
от 
микро- 
к 

5

макромеханике» [8]. В ней, а также в ряде других своих работ 
[153…159], рассматривались свойства волнового пакета для состояний, 
в которых реализуется минимум неопределенности в комплексе 
неопределенностей. 

В настоящее время во многих работах при рассмотрении 

разнообразных 
физических 
явлений 
и 
химико-технологических 

процессов можно встретить указания на их квантово-макроскопический 
характер [9…14, 160]. При этом прослеживается мысль о согласовании 
классических представлений в области механики, термодинамики и 
других
с механизмом макроквантования физических параметров 

[15…19]. В частности, Глауберг [19] анализирует эти вопросы с 
позиций когерентного состояния квантового осциллятора, в котором 
произведение 
неопределенности 
координаты 
и 
энергетического 

импульса принимает минимально возможное значение.

Для разработки достоверного и в то же время достаточно простого 

метода анализа тепломассообменных процессов в изделиях из кожи, 
меха и тканей, необходимо четко представлять механизм переноса 
теплоты и массы в пористой структуре материала в условиях 
эксплуатации этих изделий. И здесь на первый план выходят такие 
вопросы, как определение истинной движущей силы процесса переноса 
той или иной субстанции, вопрос о потенциале переноса, методы 
определения основных характеристик: массоемкости, коэффициентов 
массоотдачи, массопроводности (конечно, и соответствующих тепловых 
характеристик). Только опираясь на этот объём знаний, можно 
проводить достоверную оценку гигрофизических и гигиенических 
свойств материалов и изделий капиллярно-пористой и волокнистой 
структуры – теплоизоляционных, текстильных, пищевых и других,
вести их грамотное проектирование.

Массообменные 
характеристики 
–
паропроницаемость, 

массопроводность, массоемкость, параметры сорбции и ряд других, 
являются важнейшими для оценки гигрогигиенических свойств текстильных 
изделий. Используемые в настоящее время в расчетной 
практике методы определения паропроницаемости или постоянной 
(коэффициента) паропроницаемости (ВЕМ, метод Тейлора) трактуют их 
как 
свойство 
материала 
[20…22]. 
Широко 
применяется 

«унифицированный 
метод 
определения 
паропроницаемости 

(влагопроводности) текстильных полотен на приборе СВП (суммарная 
влагопроводность)»
[22], т.е. фактически даже отождествляются 

процессы 
паропроницаемости 
и 
массопроводности, 
имеющие 

принципиальные отличия. Подобная нечеткость трактовки важнейших 
массообменных характеристик приводит к значительным ошибкам при 
оценке гигрогигиенических свойств кож и тканей в процессе их 
конструирования и при практическом использовании.

В настоящее время изучение процессов тепловлагопереноса в 

материалах капиллярно пористой структуры базируется на теории 
совместной термовлагопроводности А.В. Лыкова [23,24,72,133], которая 

6

представляет собой единую теорию взаимосвязанного тепло- и 
массопереноса 
в 
капиллярно-пористых 
телах. 
Установлены 

закономерности диффузионного и эффузионного транспорта влаги,
доказано большое влияние молекулярного переноса влаги, вызванного 
тепловым и диффузионным скольжением. В результате сформулирован 
закон 
переноса 
массы 
в 
капиллярно-пористых 
телах 
для 

неизотермических условий.

В 1935 году А.В. Лыков обосновал это явление в своей кандидатской 

диссертации, а в 1938 году вышла в свет его монография «Кинетика и 
динамика процессов сушки и увлажнения». Трудами А.В. Лыкова и его 
научной школы создана единая теория взаимосвязанного тепло- и 
масообмена в капиллярно-пористых телах и их взаимодействия с 
окружающей средой. 

Эти 
закономерности 
позволяют 
сделать 
достаточно 
строгое 

обоснование 
изменения 
теплофизических 
и 
гигрометрических 

характеристик от влагосодержания тела. Система дифференциальных 
уравнений А.В. Лыкова в настоящее время решена для широкого круга 
задач и различных граничных условий [24].

В соответствии с этой теорией, аналогично теории термодиффузии,

движение 
влаги 
под 
действием 
температурного 
градиента 

(термовлагопроводность) 
представляет 
собой 
сложный 

взаимосвязанный процесс, включающий следующие явления:


молекулярную термодиффузию влаги, главным образом, в виде 

молекулярного течения пара, происходящую вследствие разной 
скорости молекул нагретых и холодных слоев материала;


капиллярную 
проводимость, 
обусловленную 
изменением 

капиллярного потенциала, зависящего от поверхностного натяжения, 
которое с повышением температуры уменьшается, а поскольку 
капиллярное 
давление 
над 
вогнутым 
мениском 
отрицательно, 

уменьшение давления повышает всасывающее усилие, вследствие чего 
влага в виде жидкости уходит от нагретых слоев тела к более холодным;


перемещение влаги под действием «защемленного» воздуха, 

поскольку при нагревании материала воздух в порах расширяется и 
проталкивает жидкость к слоям с более низкой температурой.

Термовлагопроводность является причиной перемещения влаги по 

направлению потока тепла. Однако при конвективной сушке создается 
градиент температуры, противоположный градиенту влажности, что 
препятствует передвижению влаги изнутри к поверхности материала. 
Но если направления градиента влажности и температурного градиента 
совпадают, то совпадают и направления соответствующих потоков 
влаги. Введенный А.В. Лыковым термоградиентный коэффициент 
показывает, какой перепад влагосодержания создается в материале при 
перепаде температуры, равном 1K.

А.В. Лыковым показано, что термоградиентный коэффициент 

зависит от влажности материала, т.е. от термического перемещения 

7

влаги, и так же, как и влагопроводность, обусловлен формой связи 
влаги с материалом.

Решение 
сопряженных 
задач
тепломассообмена 
связано 
с 

серьезными математическими трудностями. Одна из них состоит в том, 
что, например, для стационарных задач приходится сталкиваться даже с 
дифференциальными уравнениями разных типов: для жидкости 
получается уравнение в частных производных параболического типа, а 
для твердого тела – эллиптического типа [23…25]. 

А.В. Лыковым впервые было дано обобщение принципа Пригожина 

[18,48,72] о скорости изменения энтропии в процессе переноса. В 
результате была получена новая система линейных уравнений переноса, 
отличающаяся от системы Онзагера тем, что потоки зависят не только 
от термодинамических движущих сил, но также от скорости их 
изменения и от производных потоков по времени. Из этой системы 
обобщенных соотношений вытекают уравнения переноса с учетом 
конечной скорости распространения субстанции, а затем как частный 
случай выводятся гиперболические дифференциальные уравнения 
тепловлагопроводности и диффузии.

Эти исследования привели А.В. Лыкова к выводу о необходимости 

учёта параметров релаксации, т.е. к анализу термовлажностных 
процессов на макроквантовом уровне, что получило своё выражение в 
предложенном 
им 
обобщённом 
уравнении 
теплопроводности 
и 

соответствующем обсуждении этого уравнения [14, 24, 26, 27].

Впервые с феноменом квантовых макроскопических эффектов 

столкнулись в связи с активизацией исследований в области криогенной 
техники, а именно – низкотемпературной сверхпроводимости. В 1934
году братья Ф. и Х. Лондоны, исследуя свойства сверхпроводников, 
обнаружили в них эффект коррелированного движения электронов [28], 
что привело к выводу о макроскопическом квантовании потока [29], а в 
дальнейшем – к созданию теории сверхпроводимости Бардина–Купера–
Шриффера (БКШ) [30,31]. Следует отметить, что Ф. Лондон обосновал 
существование макрокванта магнитного потока и предложил свою 
феноменологическую теорию сверхпроводимости [32] задолго до 
теории БКШ, но обнаружен был этот эффект после ее появления, 
причем по своим количественным показаниям этот эффект оказался 
самым убедительным подтверждением теории БКШ.

В настоящее время количество работ, посвященное исследованиям 

процессов различной физической природы с использованием механизма 
макроквантования, можно оценить числом не менее двухсот. В 1967
году
вышел первый сборник такого рода работ
с характерным 

названием «Квантовая макрофизика» [16], что говорит об уверенном 
развитии этого нового направления в современной исследовательской 
практике тепломассообменных процессов.

8

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВО-МАКРОСКОПИЧЕСКОГО 

МЕХАНИЗМА ДВИЖЕНИЯ ЭНЕРГИИ В МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЕ

1.1. КОНЦЕПЦИЯ СУБСТАНЦИОНАЛЬНОСТИ ЭНЕРГИИ. МЕТОД 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА

Механическое движение, как известно, имеет три меры: одну 

скалярную – энергию и две векторные – импульс и момент импульса. В 
науке о тепловом движении –
термодинамике, количественным 

аналогом скалярной меры является внутренняя энергия, которая при 
процессах 
в 
замкнутой 
системе 
сохраняется 
(первое 
начало 

термодинамики). Второе же начало характеризует качественную меру 
теплового движения.

В термодинамически равновесных системах макроскопические 

движения невозможны, поэтому в равновесной термодинамике в 
качестве количественной меры теплового движения используется лишь 
скалярный аналог механического движения – внутренняя энергия. В 
термодинамически неравновесных системах вследствие существования 
макроскопических движений одной этой меры недостаточно. Возникает 
необходимость новой (векторной – по аналогии с механикой) меры 
движения – термического импульса. 

Такая мера теплового движения наряду с принципом сохранения и 

превращения энергии (первым началом термодинамики) называется 
принципом импульса в неравновесной термодинамике. Использование 
такого подхода для исследования неравновесных систем показало 
достаточно высокую эффективность, особенно применительно к 
задачам нестационарной теплопроводности [14,33…37]. Излагаемый 
метод является дальнейшим развитием принципа движения энергии 
Н.А. Умова [6] – концепции ее субстанциональности.

Благодаря этому принципу мы привыкли понимать энергию не 

только как меру движения материи, но и мыслить о перемещении и 
накоплении энергии в пространстве и во времени, вводить понятия 
потока энергии, плотности потока и др. Дальнейшее развитие принципа 
движения энергии, его обобщение связано с принципом сопротивления. 
Последний предполагает присутствие всюду в видимом нами мире 
сопротивления, понимаемого как препятствие для движения энергии, в 
результате чего любые процессы совершаются во времени, т.е. 
обязательно с конечной скоростью распространения взаимодействий. 
Сопротивление мыслится как нестационарный процесс. Его можно 
понимать как временное сопротивление, т.е. характеризующее время 
протекания физических процессов и тем самым обусловливающее 
реальность физического мира. В разных видах взаимодействий 
сопротивление имеет различные формы выражения, например, в 
термическом процессе оно соответствует термическому сопротивлению, 
в электрическом – электрическому сопротивлению, в механическом 
движении – обратной величине  относительной скорости перемещения в 

9

[37] 

направлении взаимодействия, и т.д. Сочетание  принципов движения  
энергии 
и 
сопротивления 
позволяет 
в 
рамках 
термодинамики  

записывать в едином математическом формализме протекание любого 
процесса – механического, массопереносного, термического как в 
полевом, так и дискретизированном виде. И здесь фундаментальным 
выступает 
понятие 
термического 
импульса, 
вытекающее 
из 

интегральной 
формы 
уравнения 
теплопроводности. 
В 
работе             

Н.А. Умова также устанавливается, что закон сохранения энергии в 
процессе теплопроводности и закономерность термического импульса 
так соотносятся между собой, как первый и второй законы Кирхгофа 
для разветвленной цепи. Таким образом, законы Кирхгофа на самом 
деле являются глубоко фундаментальными.

До сих пор считается физически непонятным, почему в классической 

механике для поступательного движения имеется две его меры –
энергия и импульс, а в феноменологической термодинамике своего 
аналога импульса как бы не существует. Правда, академик Л.И. Седов 
делает попытку сгладить такое несоответствие введением некоторых 
вариационных функционалов [38]. В то же время с помощью принципа 
временного 
сопротивления 
вскрывается 
смысл 
механического 

уравнения импульса как количества движения, и видится аналогия этого 
уравнения в любом физическом процессе с диссипацией энергии. 
Благодаря этому открывается возможность для составления уравнений 
«импульсного» типа в сложных термодинамических системах. Такие 
уравнения, оказываясь аналогами уравнений Кирхгофа, составляемых 
для разветвлённых электрических цепей, могут пониматься как 
динамические уравнения состояния. 

Однако термодинамика, как самостоятельный и относительно 

молодой раздел физики, исторически развивалась иными путями. С 
самого момента ее зарождения, ещё в 20-е годы XIX в., уже были 
обозначены два независимых направления развития, которые сейчас  
воспринимаются логически как последовательные этапы, дополняющие 
друг друга: 1) классическая  термодинамика – это фундаментальный и 
почти законченный раздел науки о теплоте, изучающий только 
предельные (равновесные) состояния тел и процессы обмена энергией и 
веществом между телами в виде последовательной смены таких 
состояний; 2) неравновесная термодинамика,  или термодинамика 
неравновесных 
(иногда 
говорят 
–
необратимых) 
процессов, 

использующая системный подход, а также
законы классической 

термодинамики
и исследующая протекание физических явлений 

(процессов) макроскопического уровня во времени, опираясь на 
понятия потоков и сопряженных с ними сил. 

Классическую термодинамику, имевшую изначально технический 

уклон, принято считать основой всей физической термодинамики, 
считая её началом работу С. Карно «Размышления о движущей силе 
огня и о машинах, способных развивать силу» (1824). Классическая 
термодинамика, оперирующая понятиями о равновесных и обратимых 

10