能量的定义系统与能量的转化补充

志勰


    原计划9月初发布一篇能量扩展应用问题的文章,最近一直在床上,没有动笔,拖延至现在。对于19世纪所建立的这个能量守恒和转化定律,我在这个栏目里已经有了多篇文章来讨论这些问题,基本上没有什么可说的了。但是在向下一个目标前进之前,似乎应该在目前的范围里进行清理一下,最后写的系统点的文章是“能量的定义系统与能量的转化”,那么我们就从这里开始吧。

一、能量的定义

    我在此之前所探讨的能量形式,都是针对实实在在的物质所存在的状态、变化为对象所进行的讨论,以物质的实体作为主要对象。从范围上来说,似乎并没有脱离开机械运动。从机械运动的定义中(机械运动物体之间或物体各部分之间相对位置的变动,主要有平动、转动和震动简明物理词典》)好像还说得过去,但是从作用形式上就很难通过了。机械运动的作用形式我没有查到明确的表述,但是根据机械运动的特点,以及实体为对象的作用对象,机械运动的作用形式可以划分为两种作用形式,一种作用形式是碰撞,另一种作用形式是磨擦。那么,采用机械运动对前期能量讨论的划分,是不合理的。

    除了作用形式上的不合理因素之外,还存在对机械运动本身所定义范围的反思。大家都知道,19世纪末叶,从机械运动的角度去研究物理原理的方法就彻底的退出了历史舞台,取而代之的则是参照系统和被参照系统之间相互转换的相对论和量子化规则的量子论。与此同时,因果律也分别被时空变换系统和概率分配的几率规律所代替。那么,相同的一个物理事件,在不同的历史时期,所采用的精确描述方法会存在这种历史性的差异。机械运动属于牛顿力学的范畴,通常被认为是相对论在处理低速状态下的近似表述。是否需要放到相对论中或者相类似的系统中去完善呢?虽然量子论和相对论都给出了不同的应用范围。我们是否需要从不同的历史时期人们所采用的物理研究主流方法对能量进行界定,从而给出更准确的方法呢?

    从这些方面,能量的问题又出现了很多的复杂的方法,对于能量的定义,无疑又复杂了很多。我们是不是需要这些呢?除了面对自然世界所处理的能量范围,还要面对这些处理方法呢?

    不能否认,新的物理理念和方法打开了新的物理描述空间和范围,在19世纪以前,最高科学成就的蒸汽机采用机械论是足以胜任的。但是到20世纪热机工作原理问题,机械论就显得有些吃力了。其原因就在于无法建立机械能和热能的作用原理。(这个作用原理是很简单的,在“机械运动的能量体系”和“能量的定义系统与能量的转化”都有表述通过弹性碰撞就可以解决这个原理的问题)给机械论以致命打击的另一个原因则来自于电磁理论和辐射现象,它直接导致机械论的在19世纪末对物理问题发言权利的最后终结,同时也直接催生了相对论和量子论。

    光速为一常数直接导致了相对论的诞生。而辐射问题的处理过程则促进了量子论的萌芽。同时,辐射的问题采用机械论的方法不能进行正确的处理。采用统计物理学中的能量按自由度均分原理应用于辐射得到的瑞利琼斯公式不能应用于短波,同时把辐射体的原子看作带电的谐振子,并且振子所辐射的波的频率和振子的动能成正比,运用统计方法求得的维恩公式不能应用于长波。后来,普朗克先生通过对能量采用量子化的方法建立的普朗克公式解决了这个问题,同时宣告机械论退出辐射理论。

    普朗克公式虽然可以正确处理辐射关系,但是在原理上是错误的,和客观事实是不符的。主要的原因就在于谐振子总量和辐射能量总量的关系。举个例子来说,将1千克钨抽成丝状,同时将另一千克钨作成圆球。我们把它们加热到相同的温度如2000度。由于谐振子的数量是相同的,温度是相同的。那么,理论上它们的总辐射功率是相同的。但客观事实却不是这样,抽成丝状的1千克钨的表面积最大,作成圆球状的1千克钨表面积最小,那么在实际的理论计算上,在客观事实上都会得到抽成丝状的1千克钨的单位时间的辐射能量要大于圆球状的1千克钨。理论计算上采用的是表面积,而不是采用的谐振子的数量。(该问题写于“物质温度和辐射的关系(下)——物体的辐射”,可参见)从这个客观事实上来看,量子论对于辐射的处理也不是成功的。

    在能量的定义中,我们是不是需要引进相对论和量子论新的理论处理模式,来达到能量的定义在各种理论处理上的适用性,我们上面的讨论无疑降低了这个压力。从方法上来说,引入相对论,我们就需要指明能量是相对于那一个参照系统的,除了动能之外,它的意义并不是很大。即便是动能,我们在计算一个物体的动能的时候,已经确定了这个运动物体相对于静止参照系统,只需要引入相对论的速度就可以了。对于整体能量的定义,它的意义并不大。而量子论中的能量定义,我认为还存在问题。

    在这里顺便说一下,在论坛中至为先生曾针对能量的定义系统与能量的转化”提出过一些列的问题,有一些问题我未曾回答,主要原因在于至为先生所提出的问题为文中的一些结论,而文中已经给出了这些结论的较为详细的过程,问题不是针对过程的。那么在讨论起来会很麻烦。另一方面,能量本身就是很麻烦的,它的定义几乎涉及到所有的物质运动变化,它本身就是对物质运动变化整体的囊括。

二、力和参照系统的关系

    力和参照系统的关系对于物体的动能及考察能量是否守恒是最重要的了。力和参照系统的稳定性在现有的物理学中都未曾给出明确的定义,可以说这是一个漏洞。从力学上来看,它隐藏于数学关系中。

    从对物体的加速过程中,力的本身和参照系统是稳定的。f=ma   s=(1/2)at2都力和参照系这样的关系。1牛顿的作用力在任何参照系统中的加速行为中,都是1牛顿作用力。

  在文中所讨论的能量转化过程中的杠杆原理,所得到的结论在涉及到力的机械传动过程,采用杠杆原理通过动力矩等于阻力矩对力进行转化的机械传动装置都属于这一类,则是有关系的

  这只能说明传统的能量定义体系是矛盾的。

三、荷速变化率

  在文中举了一个例子,就是对电荷的变速过程的一点看法。该部分内容似乎和本文是没有关系的,但是对微观转化的原理则非常的重要。

四、争论中的一个问题

  在提到火箭发动机作工的能量转化过程中能量守恒问题上,应该是这样的关系

燃气分子的动能+火箭获得的动能=燃料燃烧放出的热能+燃料的动能

该关系是只能计算匀速运动的火箭或者加速过程中某一个微小时刻间隔的能量守恒问题。

2004.9.14


返回首页