做功与能量转化首页

志勰


    在物理科学中,不同种能量间的转化和做功之间的关系是非常微妙的。首先在机械运动中,或者处理施加的能量和这一能量所转换出的能量之间的确定关系。采用常规的能量的定义方法,我们不能对这一问题确定。

    在机械运动中,给一个物体施加作用力并使物体运动。根据物体所处于的不同状态,通常有两种对物体做功的关系。一种是物体在存在摩擦力的情况下,可以采用W=FS来计算施加给物体的作用力所作的功。另一种是没有摩擦力存在的情况下,即施加给物体的作用力完全转化为物体的运动。我们所采用的计算方法是动能的表达方法W=(1/2)mv2

    对于第二种方法,计算能量间的转化在相互转化间的两种能量间的关系上是无可非议的。但是第一种方法就不同了。我们是否可以看作我们所施加给物体的力完全通过摩擦转化成热能了呢。如果施加给一个物体的力完全施加给存在摩擦力的物体并通过一定的位移,我们知道,除了摩擦之外,在机械运动中,我们不能找到其它的作用途径,我们可以认为,我们施加给物体的作用力完全通过摩擦转化为热能。根据传统的能量守恒定律,两种能量计算的量值时完全相等的。

    在传统物理学中,对如上的物理过程是不能确定的,这是因为我们在物理中采用了做功的概念。只将它定义成力与距离的乘积。

    做功是一个很古老的科学概念,它产生的时代远在工业革命以前,这种计量方法也仍然具有古老的意义,因为它不能处理现代物理所描述的问题,即使纯粹的机械运动,也不能胜任。如弹性碰撞。在这里我仍然举我曾在“机械运动能量体系”中所提的一个例子;如果地表是完全弹性的,篮球也是完全弹性的球体。在篮球和地表作完全弹性碰撞过程中,我们完全可以得到在他们碰撞前后篮球的势能不变,即碰撞后篮球仍回到它碰撞前的高度,在地表和篮球所构成的能量体系中,碰撞后的总能量至少不能比碰撞前的能量少。但是,碰撞后,篮球本身会产生形变,自然在形变的弹性势能的作用下,产生震动,这算不算做一种能量。同时,地表受到篮球的撞击,自然也会产生一个形变,并形成震动,产生在传统物理学中,其震动当量和篮球接近地表时的动能相同当量的震动能量。那么,我们就不能认为,篮球在完全弹性碰撞过程中,碰撞前的能量和碰撞后的能量是相同的,换句话说,能量是不守恒的。

    采用做功的概念去描述如上的物理过程,不能在传统物理学中合理的解释物理现象,这和概念定义的本身存在很大的关系,另一方面,就在于我们所建立的物理体系是否如物理科学在建立的过程中所系统论证的那样严密。

     当然,在能量这一问题上所存在的问题还不仅仅如此,在电学中也存在另一种矛盾的问题。

     在电能通过电流和磁场的相互作用将电能转化为机械动能,从转化模式上,我们计量的过程中都是采用作用力和作用时间来计算的,即使是电能转化为热能,仍然也是通过作用力和时间来计算,(W=UIt,其中,电流和电压的乘积和作用力成正比)从这里来看,能量的计算模式采用作用力和实践的乘积是合理的。(当然,这一看法还依据机械运动中作用力做功和实践的关系)但是,传统物理学中确实采用功率的概念来对此进行描述的。

     我们知道,功率的概念最初来源于瓦特的蒸汽机的时代,瓦特先生为了让人们知道蒸汽机力的大小,引入一匹马的力的大小来作为蒸汽机做功的单位。实际上,功率这一包含能量单位的形式从其产生定义的本身,就已经说明了人们计量能量的单位时采用力和时间的乘积作为能量的表达形式。这是从能量转换过程中的最初的计量方法而得出的最直接的定义。当然,当时的时代还没有建立能量守恒和转化定律。焦尔先生也没有开始测定热能和动能间的转化关系。

     焦尔先生提出证明热能和机械能之间存在确定的转化关系大概是在1848年,当时迈耶先生等一批科学家也从不同的领域提出不同种能量间存在确定的转化关系,这样对于不能合理解决的一些物理问题,很自然的由于不同种能量间存在确定的转化关系而产生新的思想,也就是能量的守恒。这样对于当时不能合理理解的问题,如:摩擦是如何产生热量的、热机做功过程中是如何气体温度的降低而转化成机械能的、电能是通过什么样的途径产生热能的等等一系列能量转换间的困扰,只要建立能量守恒的关系,这一切就会迎刃而解。(关于摩擦生热、热机做功的能量转化途径,我在机械运动能量体系中已经通过分析得出了这种转化途径,您可以参见,如果您有更好的解释方法,不妨告诉我)

     当然,这里对物理概念的建立的可能的原因只是我所作的可能性的推测,还不仅仅于此,在能量的定义体系中另一个值得怀疑的是机械能和地球引力势能间的关系。一个物体从一定高度落下,并且将势能转化为物体的动能,以当时根据对物质运动的理解,物体在地球所给与的加速过程中,它所具有的能量采用作用力和时间的乘积显然是不合理的,这是因为做功的表达式采用W=FS,如果将势能划归成同样的表达形式,那么物理定义中动能的表达式很自然的符合这一特点。即、W=FS=(1/2)mv2。另一方面,焦尔先生在它的证明机械能和热能间存在确定转换关系的焦耳试验中所采用的是物体的势能,具有一定重量的物体下落一定的高度,并重复多次的方法,这样做的结果是物体具有的势能和物体下落的高度成正比。这样,将动能定义为质量与速度平方乘积的二分之一就是合情合理的了。

     您也许还有这样的疑虑,在做功和能量转化途径之间,我所提出的功率和能量间的基本的量是否相同还存在分歧。也许您认为功率是单位时间所作的功,或者说是单位时间内的能量,是与时间有关的量,而能量是与时间无关的量,两者是不能混为一谈的。但是,您不要忘了,单位时间内的能量是我们所选用单位时间去计量,而整体的能量我们却没有限定时间,在能量进行转换的的过程中,它必然通过确定的时间。能量在转换过程中也必然是与时间有关的量,我们也必然要通过一定的时间去计量它。两者在所表达的能量的本体上是相同的。

     这样,两种能量的定义就成了传统物理体系中存在矛盾的根本原因,另一方面,在能量的外延上来说,能量的概念本身导致了错误的能量守恒和转化定律,不止于此的是,它导致近代物理和现代物理一些错误概念和错误关系的连锁反应。

                                                             2000.3.28