能量守恒和转化定律中的问题首页

志勰


   

    能量守恒和转化定律是物理学中一个很重要的物理规律,它对现代物理学的发展和完善起了极为重要的作用。

一、能量守恒的实用意义

    能量守恒的意义首要的是建立物质运动变化过程中的某种物理量间的等量关系。对此,我们无需知道物质间实际的相互作用过程,也无需知道物质运动变化过程中的能量间的转化途径,只要建立和物质运动状态相对应的能量与物理量间的关系,就可以对物质运动变化过程中得初状态和终状态间建立一种等量关系,这样便于对物质运动变化过程的量求解。

    这样一种关系对于探索未知的物质世界是很方便的。但是,这也存在它本身的问题。

二、能量守恒的依据

    严格上来说,在物理逻辑上并没有能量守恒的依据。虽然在力学中我们可以根据牛顿第三运动定律建立物质运动变化前后作用和反作用总量是不变的根据,但是物质运动变化过程是很复杂的过程。能量的表示方法又必须根据不同的科学领域建立不同的能量与物理量间的关系,而且物质的作用又存在一个方向的问题。

    传统物理学中,将动能之间的关系——质量与速度平方乘积的二分之一作为动能的标志,这和牛顿第三运动定律——作用力和反作用力之间的关系是不能扯上关系的。

    大家都知道,传统科学中,能量是一种标量,与物质的运动方向无关,实际上,它所建立的是一种力与距离乘积的关系。这样,我们更难以建立能量与守恒之间逻辑上的关系。

     关于牛顿第三运动定律——作用力和反作用力的关系,这是从经验事实中得到的规律,在物理逻辑上,是一种经验约定。

       我个人认为,能量守恒并没有物理逻辑上的依据。

三、能量的概念和守恒的关系

       一个与能量守恒有关的问题是能量的概念。在试验中,我们测量能量的量在能量转化的前后是否守恒。必然有一确定计量的依据。该依据就确定了构成能量物理量间的关系。这一关系的重要性对于判定能量是否守恒是存在决定性的作用。另一方面,也决定了构成能量间的物理量间的关系是否合理。

    传统物理学中采用的能量的物理量间的关系存在如下特点:

    1、在机械运动中,传统机械能物理量间的关系具有如下的表达形式:

     (1)    计算施加给物体的力所作的功是时,物体在移动过程中存在摩擦力和位移,计算方法是W=FS,即:力与距离的乘积。

        计算空间中物体的运动所具有的能量时,采用物体质量与物体速度平方乘积的二分之一作为动能的能量表达形式。

        这两种能量形式具有等效性,表现为如果把两种能量形式通过物理量间的变换转化成相同的表达形式,两种形式具有等效性,是相同的。即:力于距离的乘积。

      (2)   与这两种表达形式不同的另一种能量形式是在计量能量转化过程中能量间的一种能量计算形式。功率的概念所包含的能量的形式。

        这种能量形式通常采用W/t的形式。即在物体相互作用的过程中单位时间内的能量。在这种能量的计量中是存在能量间的矛盾的。反映在力与时间的关系上。

        在机械能FS的计量形式中,能量的表达形式是与时间无直接关系的量,取决于力与作用距离。举个例子来说,我们用同样大小的一个力,分别作用在两个不同的物体上,并可以使物体运动。假设两个物体和地表存在的摩擦力不同,那么,两个力分别作一定的功,由于摩擦力的不同,它所使两个物体的加速度存在不同,两个力所作的功自然也就不同。但是功率是相同的,这取决于力的大小相同。这里,你可以看到,在人们生活的理解中,也许很容易理解,但是在科学上就会存在如下的问题:首先在功率的问题上就存在分歧了,假设施加给两个物体的力在假设中是相同的,这样输出功率相同。力对两个物体所作的功是不能采用功率来计量的,这是因为在任意两个相同的一段时间,不论是两个物体,还是同一个物体都不会相同,因为传统动能的单位是采用质量与速度平方乘积的二分之一作为能量模式。任意两段相同的时间,物体通过的距离、速度增量是不同的, 这样我们所采用的能量计量的意义应用到功率上的计量,引入与能量有关的时间问题,这就不再具有普适性了。    这就导致W/t这种计量模式存在问题。或者更确切的说,引入与时间有关的W/t这种计量模式在能量的普适性上是不能让人满意的。

     此外,在摩擦力的存在下,给物体施加作用力做功并使物体发生位移,如果物体的运动速度是匀速的,同样一个力,施加给不同运动速度的物体,那么,力所作的功也是不同的,虽然施加的力的大小、产生力的施加体不变。虽然在传统的物理学传统的计量方法中,可以采用赋予能量概念不同的存在形式,(如功率的概念、能量的有效利用率、能量的转化效率等)在机械运动中不能产生能量直观定义上的问题,但是,在能量概念的扩展中,如电磁理论中,却已经不能忽略了。

四、能量的转化途径 

     如果采用能量守恒的概念,在物质的运动变化中会有很多矛盾,需要我们引用两种能量体系间的概念进行调谐,在上面,您已经看到,功率的概念是其中之一。我不反对这种做法,这对于人们日常生活中是很方便的。

    但是,对于严谨的科学来说,这样进行调谐的逻辑结构会不利于物质世界进一步深入探讨下去。在机械运动中通过能量相关概念的调谐,似乎对能量相关物理概念间的关系的解释是合理的,这样的结论是因为我们在逃避一些问题。

     能量守恒定律的建立方便了人们寻找物理量间的等量关系,这样就逃避了我们不易处理的物理运动变化过程间的关系。主要是表现在能量在转化过程中的一些关系,不止在一个世纪以前,而且,在今天的科学发展中仍然存在这个问题。比如:在处理原子核领域方面、基本粒子方面,能量守恒已经作为一个天经地义的事情,在物质的运动变化中而作为科学教条的一个经典,这样对科学的发展只会起阻碍作用。您可以通过如下的关系看到这其中的一瞥。

    1、摩擦生热的转换途径

          物体在空间中的几种很重要的相互作用的模式,在宏观物体的运动上要首推摩擦运动。宏观物体间的摩擦会产生热量,在解释这个问题上,导致了热学的发展。当时人们不清楚能量的概念,曾引入过热质得概念,能量的概念和热质的概念一样,把它作为自然界中存在的物质形式之一,这一观念的形式,在某种意义上是有利于能量守恒定律的建立的。

        在我们传统的看法中,我们并没有就能量转化的具体途径进行计算过,也没有给出能量转化过程中能量转换的模式。我们所作的一是试验,测量能量相互转化过程前后的两种量之间的数量关系。二是根据试验去进行其它理论的尝试。

           我想再次说明一下的是物理概念间的逻辑是否合理,并且是不是被忽略掉了?能量守恒定律不能就能量问题给出物质间实际的作用途径。(关于这一点,您可以参见机械运动的能量体系。)

    2、热能向动能间的转化很具有代表性的是热机的能量转化,传统对这一问题的看法未能处理气体分子对活塞做功,气体的温度为何降低。关于这一点具体的转化模式,我在“机械运动的能量体系”中已经作了较为详细的说明。采用动量和冲量对能量进行描述是合理的。

    3、电学中电流能量的转化途径。

     电流和机械能间的能量的转换我们都是采用功率的概念,即:功率乘时间的方式,表现为作用力的大小和时间的乘积。在机械运动中,也存在一种冲量的形式,它也是力与时间的乘积,不过不同的是冲量在物理学中并不能划归到能量的形式之中。

      实际上,电能向机械能间的换化,大都是通过作用力的作用形式进行转换的,很可惜的是我们对电能和机械能间转化的表达形式而不是采用力的形式。

     关于这一点,我暂做一个猜测:主要是人们对电能和机械能转换的研究进行的较晚,当时人们已经建立的一个包含在静电学之内的机械运动的能量体系,能量的普适性的本身不容许做这种修改,但又必须转换成相同的能量表达形式。

    4、所有的能量转化形式,其转化过程我们都可以通过作用来进行描述,并且建立作用的模式,当然,我们有些还不能清楚的知道。

       场间的作用,除了作用力之外,没有更好的描述能量间转化的方式,我在“机械运动能量体系”中有一点关于能量定义的分析,当时由于仅限于机械运动,不能将这一看法进行扩展。对于物体的运动,我个人认为,作为物质运动状态的变化量或者力与时间的作用量比传统的更具有普适性。而且还可以对弹性碰撞,粒子间的运动状态所包含的能量形式进行合理的描述。

    5、对原子物理、电磁理论中能量的描述,采用作用力的形式描述,仍然是可以让人满意的。关于这一点,您可以参阅电磁理论与原子论(本站中的内容)

    6、对于分子间化学过程中的能量与此对应的解释,也在不久放到本站。它和这一采用力的方式描述是等效的。

    7、关于质能间的转化关系,我暂时还不能做什么定论,不过,我相信它仍然可以采用与作用类似的方式进行描述。

 

     在机械运动、电磁理论、化学领域能量间的转化,能量间的转化途径采用力的作用模式是很合理的,这是我个人的看法。我在文中未能说明白的地方,欢迎您告诉我。

志勰

                                                                     2000.3.23