能量的定义系统与能量的转化

志勰

[关键词]荷速变化率

[简介]对能量系统进行了系统的分析,提出弹性碰撞在能量的转化过程、滑动摩擦向热能的转化过程、保守力场被打破的情况下,能量转化不遵守能量守恒和转化定律。新的能量定义体系采用ft或者mv描述更为合理。从能量转过的过程,提出不同种能量在转化过程中的规律,即:所有的能量转化过程中,确定的转化途径存在确定的转化关系。同时,必然伴随其它能量形式同时的转化,并且也存在确定的独立的转化关系。根据这一规律和能量的定义,可以对微观物质的作用更为精确的描述。此外,提出了物质的温度同物质分子的动量成正比、提出了高速电子和原子碰撞所辐射的电磁辐射的计量方法。


一、引言

    对于物理科学,寻求物质运动变化的规律是主要的任务之一。在物质运动变化规律的基础上,我们才可以科学的描述物质的运动变化,才可以根据一种物质的存在状态而预言这种物质演化的另一种状态。那么,是什么原因导致物质系统从一种状态到另一种状态呢?——是能量。是物质系统内部或者物质系统外部,通过对物质系统本身施加作用而发生的系统状态改变。

    能量作为导致物质运动变化原因的一种物理量,是构成物质运动变化规律因果关系的直接原因。因此,能量在物理理论中的定义、在物理结构中的关系,则是物理描述系统是否直接、有效描述物质运动变化规律的主要因素之一。合理的在物理理论中给能量定义,建立能量和物理结构合理的关系,则会有利于寻找和建立物质运动变化的规律。

二、、能量的历史观念

     1686年,德国数学家、哲学家莱布尼兹(G.W.Leibniz,1646-1716)“在他的论文《关于迪卡尔和其他人在确定物体的运动力中错误的简要论证》中提出mν不宜作原动力的量度,应把mν2作为原动力的量度。他认为,‘力必须有它产生的效果来衡量,例如用它能将一个重物举起的高度来衡量……而不是用它给另一个物体的速度来衡量’,它把物体的重量和上升高度的乘积作为运动力的量度......”

   从这里我们知道,能量的最初观念——动能不是采用(1/2)mν2来描述。而是采用动量mv来描述。采用mν2其实质意义在于在保守力场中

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  其中,F为保守力,A、B为保守力场中两点之间的距离。在19世纪,通常将它们叫做活力守恒。实际上这是动量和保守力场中势场的转化关系。

  “瑞士的数学家伯努利(Johann Bernoulli,1667-1748),……认为非弹性物体类似于在压缩后膨胀受到限制的弹簧,在物体压缩中活力减少了。但是在它们的形变中没有消失。他把非弹性膨胀中获利的损失归因于热,他直接用机械因素设想这种损失。……到1800年前后,物理学界已经认识到在一个彼此有相互作用力的系统内,活力仅仅取决于系统的位形和依赖于位形的力函数。”②虽然动量和保守力场中势场的概念已经得到了严格的数学关系,但是在非保守力场中,并没有有效的模式来进行统一的描述,一方面在于“活力”的概念还未曾物质存在状态的变化联系在一起,比如机械运动、热运动。在物质运动变化的原理上并没有统一。

   “1801年,英国物理学家托马斯·扬(Thomas Young,1773——1829)在英国皇家学院的一次演讲中,提出用“能”这个词代替活力……”③能的概念的引入,在某种意义上来说,将保守力场中动量和势场的转化关系拓展到物质状态的改变范围,但是当时的观念仅仅限定在保守力场中动量和势场(力学中的动能和势能)的范围,直到在19世纪中叶建立能量守恒和转化定律之后,才完成这种概念的拓展。

    “能”的观念的拓展在某种意义上来自于工业革命上对蒸汽机效率的比较方法,在实践的基础上,采用物体的重量和运动距离乘积的方法已经得到普遍的认同。“1829年,法国工程师彭塞利(J.Poneclet,1788——1867)在一本力学著作中引进“功”这一名词。之后,科利奥利在《论刚体力学及机器作用的计算》一文中,明确地把作用力和受力点沿力的方向的可能位移的乘积叫做‘运动的功’”力在一段距离上的总功用力对距离的积分来测量。④

  能的观念的引入除了保守力场中动量与动能之间的关系之外,还把这种关系扩展到非保守力场中。但是在非保守力场中是不是可以适用,除了采用试验的方法验证之外,则没有理论上的依据了。一方面是作用力和参照系统的关系,即力的属性问题。另一方面是在一种能量到另一种能量的转化过程中的计量问题,如在弹性碰撞涉及到其它能量形式的转化中、非弹性碰撞中、摩擦生热中、保守力场被打破的情况下。下面我们来讨论这些问题。

三、能量概念中的矛盾

1、功率的问题——力与速度的乘积

    “采用力在物体作用下移动的距离”,直接作为功的概念的经验约定,是导致功的概念推广到能量的概念在物理科学体系中观念的分歧,这种观念的分歧表现在功和能量概念的不统一上。系统对外输出多少能量和系统对外做功则成为两个问题,而不是一个问题。

       采用能的概念——力与距离的乘积(动能的概念),以及采用功的概念——功率与时间的乘积这两种观念中。其分歧在哪里呢?单位时间内所做的功,就是功率。在机械运动中,我们采用P=F·v来描述。只需要我们在等式两边加上一个t就是能量和力的关系,从概念的关系上来说,似乎是统一的。但是在这里我们忽略了一个关系,就是力同参照系统的关系。力和参照系统是不是无关的,这个问题反映在功率的问题上。

      在牛顿力学中,力的定义在单位质量的物体上,只和加速度有关系。和速度是没有关系的。但是在技术的应用上,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。比如行驶的车辆。在功率确定的情况下,一辆汽车如果要跑的速度快,那么就需要采用较高的档位。功率、作用力和速度的关系符合P=F·v   。但我们根据杠杆原理将作用力转化回力与参照系的关系,力都会来自于相同的一个参照系。

      而不采用杠杆原理的作用力,作用力的属性仅仅是力的直线传递或者直线作用则不再遵守P=F·v 。比如火箭动力发动机提供的动力,沿直线传递的力和力的作用,电荷在电场中所受到的作用力,等等。它们都不会因为运动速度的增加,所受到的力的大小因为速度的改变而发生改变。(源观念的探索可参见

       力和参照系统是没有关系的,力和速度也同样没有关系。另一方面,在物理定义系统中我们根据牛顿第二运动定律F=ma也可以得到同样的结论。在功率的问题上,功率的关系式P=F·v仅适用于杠杆原理的数量比例关系。除此之外则不再成立。比如:滑动摩擦中,我们采用火箭发动机提供的动力作为推动物体运动的力,那么力同速度是无关的。由于磨擦产生的热量同速度无关,那么采用缓慢运动状态下和采用较高速度状态下的两种运动摩擦结果,采用P=F·v来描述很显然是不合理的,后面还要讨论这个问题。

(2)能量的计量——力与距离的乘积

         在能量导致的物体的运动状态变化,可以分为保守力场和非保守力场两种情况:

        在保守力场中,物体的运动状态变化就是动能和势能之间的转化。在非保守力场中,物体的状态变化是向其它能量形式的转化,或者作用力转化为其它形式的能量。但在计量上,涉及到物体的运动状态变化,都是采用FS来描述,如动能的表达形式nlddyzhhhshh-03.gif (981 字节),一个物体在一定高度的势能mgh等。作用力转变为其它形式的能量,在阻力大小相等方向相反的情况下:比如物体在地面上摩擦生热、闭合导线在磁场中沿直线运动切割磁力线而产生感应电流等,都可以采用比例关系W=FS来描述。但是并不合理,这种不合理表现在因果关系上。

    动能的表达形式nlddyzhhhshh-03.gif (981 字节):

    如果我们给一个物体施加作用力,使它在匀加速过程中达到速度v。如图:

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    物体在第一秒钟后达到距离a的位置,其速度为1个单位。在第二秒钟达到b的位置,其速度为2个单位。在第三秒钟达到c位置,其速度为三个单位,以此类推。在我们对能量的计量过程中采用W=FS来描述,在因果关系上是不合理的,不合理的地方在于,在施加作用力给物体加速的过程中,物体的原状态仍然对距离有一定的贡献(当物体的速度为零时例外),但物体运动的这部分距离和作用力是无关的。如:当物体运动到b时,其速度为2个单位,即便我们不再增加作用力,由于物体本身的惯性,它仍然会运动到c位置。物体本身的惯性在运动距离上,总是包含惯性本身的状态,它会对物体的运动距离提供一定的贡献。这部分贡献和施加的作用力是无关的。(源观念的探索可参见⑥)

    移动物体作功W=FS:

    将物体从地面上一个空间位置移动到另一个空间位置,力所做的功我们通常采用W=FS来描述。这种计量方法推广到通用公式中是错误的。如下的情况可说明:

    我们采用与参照系统无关的力的作用模式,比如火箭动力发动机。分别以不同的速度匀速移动这个物体。当我们采用1米/秒和100米/秒两种速度移动10米时,前者需要10秒的时间,而后者却仅需要10分之一秒的时间。由于滑动摩擦力的大小和摩擦速度无关,发动机所耗费的燃料相差100倍,但转化出的能量是相同的。但很显然,采用P=F·v  是不合理的。 在下面我们还要讨论这个问题。

    这说明能量和功是两个独立且不同的概念。我们可以利用不同的方式采用能量做功,允许付出较少的能量而得到较多的能量。

  采用火箭动力发动机有一个争议,就是是不是需要将火箭燃气相对于参照系的速度所引起的燃气动能的能量差异也算到能量守恒里。我认为这不成为争议,因为采用火箭动力发动机主要的原因在于作用力与参照系统无关。在采用杠杆原理所提供的动力的实践应用中都是和参照系统有关的。这一点在牛顿力学乃至现代的物理学中都没有定义,实际上也不能定义。作用力和参照系统的关系是不能成为争议的。这是不同的提供作用力的模式。匀强电场对电荷的加速过程也是同样的,作用力的大小与参照系统无关。另一方面,即便是考虑燃气的能量计量问题,仍然是不守恒的。如图:

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   因为燃气相对于火箭发动机的相对速度是固定的,在上面的例子中,火箭发动机和参照系是一个平移的关系,燃气的动能和燃气速度的平方成正比。当火箭速度小于燃气的速度时,在燃气的动能和摩擦生热之间的能量转化上我们仍然可以得到能量守恒的关系近似成立。但是,在火箭速度大于燃气的速度时,能量守恒和转化定律则不在成立。随着火箭速度的增加,燃气相对于参照系的动能也会同时增加。

 2、能量的转化与守恒

(1)弹性碰撞的能量转化

  在弹性碰撞过程中,是动能转化为弹性势能,而后弹性势能有转化为动能的过程。我们通常将它们当作没有任何的能量损耗的过程。我们可以把这种作用过程可以把它当作保守力场动能和势能的转化过程。如图:

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在考虑无限大质量的一个球和另一个质量为m速度为v的球进行弹性碰撞中,如篮球和地面的弹性碰撞。篮球在碰撞前后其速值不变,但方向相反。采用nlddyzhhhshh-03.gif (981 字节)来描述篮球的动能,则动能的大小不变。但是地面则受到动量为mv动量的冲击,产生一个当量为动量mv冲击的震动波。另一方面,篮球也会产生一个震动,并激励空气,产生声波。如果我们将碰撞过程中的振动能量考虑在内,则能量转化过程是不守恒的。

  篮球和地面的弹性碰撞,产生振动能量是必然的产物,在碰撞前后的能量转化过程中,必然伴随着振动能量的转化。

(2)摩擦生热的能量转化

  在采用W=FS来计量摩擦生热的能量转化中,存在一个矛盾,这个矛盾就是功率和功之间的定义矛盾。我们知道W=FS是与时间无关的量。而采用功率同样的表达形式P=F·V是与时间有关的量,采用如下的方法很容易验证出来。

  我们先采用普通的动力模式通过滑动移动一个重物,比如汽车,如图:

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   采用两种速度v1和v2将物体分别移动这个物体从A点到B点,我们知道,这需要采用不同的档位,比如1档和四档。高速度采用的发动机的功率要大,低速度采用的发动机的功率要小。作用力与相对于参照系统的运动速度是有关的。采用W=FS和P=F·V对这个过程的计算是吻合的。这说明这两个公式都是适用的。

  但是我们采用火箭发动机则是另外一种情况了,不论我们采用速度v1还是采用速度v2移动这个物体从A点到B点,火箭发动机所输出的作用力的大小都是固定的,因为作用力与相对于参照系统的运动速度是无关的。我们采用两种不同的速度,火箭发动机所耗费的燃料是不同的。

  采用W=FS来描述则不能正确描述。在低速状态下,采用v1的速度通过1个小时使物体从A点移动到B点。采用v2的速度通过1秒的时间使物体从A点移动到B点。从A点到B点转化出的摩擦热量是相同的,但是发动机燃烧的燃料确实不同的。而我们采用P=F·V来描述,仍然不能正确描述,因为火箭发动机所输出的功率在两种速度状态下是相同的。

  我们采用能量守恒来描述上面的过程,作用力和参照系统的关系直接决定了能量受否守恒。前者采用杠杆原理作为提供动力的汽车,能量是守恒的。后者采用提供的作用力与速度无关的火箭动力发动机,那么能量转换是不守恒的。

(3)保守力场被打破的情况

  在人类的能源中,我们所利用的燃烧燃料所产生的能量通常叫做化学能源。我们大量使用的化学能源利用的是物质分子利用原子势能存储的太阳能。在燃烧燃料的过程中,化学反应物质分子的温度升高都是利用原子间更为稳定的结合状态,原子核或者核外电子的库伦斥力使反应后原子获得远大于反应前的速度。

  但是,如果我们将氧气、氢气单独的加热到几千度高温(比如5000度高温),而后再将两种高温气体汇合到一起,而后再冷却到常温状态下,那么氢气和氧气在常温下燃烧所放出的化学能将会消失。会有这样的关系:

  加热氧气的能量+加热氢气的能量≠两种合并到一起的高温气体冷却的过程所释放的能量

  其原因在于,在常温燃烧过程中核外电子所形成的导致放热过程的保守力场,在高温状态下将不能提供,不能提供导致碰撞后原子团速度增加的放热的条件。

  我分析了一点氢氧燃烧过程吸热和放热的组合可能性,可参见⑦。

  4、科学体系中能量的定义

  能量的定义体系所引起的矛盾主要反映在如下的方面:

  (1)能量定义体系的普适性问题

  能量是一种改变物质存在状态的量,物质的存在状态发生了改变,我们可以判断这个过程必然有能量的发生.但是在能量概念的定义上,采用的概念却很简单。在《简明物理学词典》 上海辞书出版社 1987.12 中,是这样定义的:“简称‘能’。物质运动的一般量度。是标量”。而在《简明辩证法词典》 山东人民出版社 1986.1 中,是这样定义的:“亦称‘能’。物质运动的一般量度。表征一物质系统对外做功的能力。存储与系统内的总能量是该系统温度达到绝对零度下之静态平衡前所能做的功之极大值。”。从这两种定义来看,哲学辞典好像定义的还是比较全面一些。

  我们可以肯定,将能量作为物质运动的一般量度,并且是标量的概念。这样的定义必然和能量的特征是不沾边的。

  物质运动是相对的,那么“物质运动的一般量度”说明的是什么意思呢?采用能量来衡量物质的运动,衡量这种相对的不确定的概念,它的意义在哪里呢?很显然,它不能正确反映能量的概念。“是标量”,任何一个能量的过程,都会改变物体的状态,能量的过程无疑是具有确定的方向。那么在这个意义上来说,能量施加的过程必然必然表现为矢量。

  “表征一物质系统对外做功的能力”,对于人类对能量的使用过程,也算是比较合适的。但是,这样的定义似乎仅仅是为了人类对能量的使用而作的定义。在前面,我们也探讨了能量和功,能量和功是存在区别的,它们之间的区别在于功是通过确定的途径使用能量达到的效果,而能量则没有这个限制。如果结合后面的内容——“存储与系统内的总能量是该系统温度达到绝对零度下之静态平衡前所能做的功之极大值。”,那么对能量的定义则又出现问题了。一个物体即便它本身的温度达到绝对零度,它仍然可以对相对于它运动的物体作用,使两个物体之间的相对速度减小。

  能量最大的特征是改变物质的存在状态,只要一个物体的存在状态发生了改变,那么我们就可以判断这个物体存在能量发生的过程。采用物体的存在状态发生改变,作为能量发生的特征,可以使能量的概念具有普适性。

(2)传统能量定义的结构

  莱布尼兹先生在1686年提出“把物体的重量和上升高度的乘积作为运动力的量度”,从这里我们可以看出,这样的定义是采用使物质运动的量来定义能量的。在保守力场中,W=FS可以算是一种对物体运动状态较为准确的定量。对于我们施加作用力的过程,施加的距离和作用力的大小唯一确定物体的运动状态。但是在非保守力场中,这样的定义则不再适用。反映在能量定义的结构上,则构成如下的问题:

  第一、功和能量的关系

  能量和功是存在区别的,它们之间的区别在于功是通过确定的途径使用能量达到的效果,而能量则没有这个限制。采用相同的能量,通过不同的做功途径,可以做不同的功。这决定了能量守恒和转化定律不能成立。

  第二、功和功率的关系

  功率是单位时间里所做的功,采用P=F·v 来描述。在功率相同的情况下,作用力同速度成反比。它说明,作用力和参照系统存在确定的关系。

  我们采用功率来描述通过给物体施加作用力使物体获得动能的过程,那么我们将不能进行合理的描述。物体以初始速度为零开始做匀加速运动,我们可以采用的施加作用力的途径是很多的,比如引力场、电场、火箭动力发动机等,采用物体的运动速度和施加作用力的大小是没有关系的动力源。根据P=F·v来描述那么随着速度的逐渐增高,功率在逐渐的增大。但是我们给物体施加作用力的条件并没有进行任何的改变。

  第三、杠杆原理

  利用动力矩等于阻力矩可通过移动距离实现作用力大小转换。当然,可以完成移动距离同作用力大小的转化的并不只有杠杆原理一种,利用液压原理工作的千斤顶,也是同样的。

第四、力和参照系统的关系

力和参照系统是不是存在确定的关系,这一点在传统的能量定量系统中是肯定的,功率的概念则说明了这个问题。

但是,存在电场、引力场、火箭动力发动机等作用力的大小同运动速度无关的作用模式,这种作用力的模式同传统的能量定量系统存在矛盾。

第五、传统能量定义适用范围的缺陷。

   采用力与距离的乘积作为能量的量虽然可以满足我们日常生活中机械动力的使用情况,但是在使用的对象上,存在着很大的局限性,甚至在某些数量关系上是不能正确定量的。

   一方面在于传统的能量定量系统将能量的种类划分成多种能量的形式,如:动能、势能、热能、电能、磁能、光能、原子能、物质能等等等等,能量种类的多样化使我们所采用的能量定量形式——力与距离的乘积(FS),应用到所有的能量模式上,非常的困难,这样,就需要采用能量守恒和转化定律来完成不同能量之间转化与换算的职能,建立不同能量之间的联系,建立当量的关系。

  另一方面在于能量守恒和转化定律在确定的条件下失效,如前面我们所讨论的三种违反能量守恒的情况。

  这说明现有的能量概念不是一种统一的能量概念,将它推广到整个的物质世界是存在缺陷的。

四、能量的转化

   1、热能向动能的转化

在热机做功的过程中,气体分子的内能如下变化。

(1)气缸和活塞相对速度为零时,气缸中的气体分子和气缸,活塞仅进行动量传递。其中包括存在温度差时的热量传递,没有能量转化。

(2)活塞压缩气缸中的气体时,如果气体分子相对于气缸的速度为v,m为气体分子的质量,活塞相对于气缸的速度为△v ,则气体分子相对于活塞的速度为v+Δv ,气体分子和活塞 每碰撞一次速度增加2Δv,同时提供给阻碍活塞压缩的冲量相当于m(2v+2Δv)的动量。如上处理将活塞因碰撞速度的变化略而不计.气体分子速度的增加和活塞碰撞原子振动速度的增加使温度升高,增加的动量来源于气缸和活塞的相对速度。

(3)气缸中的气体推动活塞运动时,活塞相对于气缸的瞬时速度仍用Δv表示。气体分子与活塞的相对而言速度为v-Δv。气体分子和活塞 每碰撞一次速度减少2Δv。同时提供给使活塞运动的冲量为相当于m(2v-2Δv)的动量。气体分子速度的减少和活塞碰撞原子核振动速度为的减少使相互碰撞的分子和原子的温度降低。温度的降低减少的动量来源于气缸和活塞的相对速度,来源于活塞冲量的增加。

从气体分子和活塞碰撞的实际情况来看,热机能量的转化途径是气体和活塞运动存在的相对速度。⑩

气体分子和活塞碰撞的过程中,除了转化为动能之外,还会由于分子中电荷的变速运动而产生电磁辐射。

  2、电能的转化

  在工业应用上,电能向动能的转化通常是通过安培力来实现的,F=IBlsina,在其它条件不变的情况下,安培力同电流的大小成正比。

  电能向热能的转化是通过电阻热来实现的,Q=UIt,也可以表示成Q=I2Rt。电流增大的同时,电压必须成倍的提高。从数量关系上来看电流产生的热量同电流的平方成正比,其中也包含了电压的贡献。

  电能向磁能的转化是建立在奥斯特效应经验约定基础上,导线电流产生的磁场强度同电流成正比。与外界条件无关。

  在采用电流向动能、热能、电能等其它形式能量的转化过程中,必然伴随着其它能量形式的转化。比如电流转化为动能的过程中,由于自身电阻的存在,产生热量,产生磁场。电能向热能转化过程中,也会同时产生磁场,等等。它们都存在确定的转化关系。

3、动能向热能的转化

  前面我们也讨论了这个问题,动能通过摩擦生热的转化模式所转化出的热量同摩擦距离成正比。⑾

  在通过摩擦转化为热能的过程中,同时还伴随着动量的传递。


弹性碰撞过程中,同时也会产生振动能量等等, 这里就不一一对转化途径进行说明了。所有的能量转化过程中,确定的转化途径存在确定的转化关系。同时,必然伴随其它能量形式同时的转化,并且也存在确定的独立的转化关系。

五、能量守恒的局限性以及在现代物理学中失误的观念

  除了前面我们讨论的参照系和作用力的关系所导致的能量守恒的局限性之外,在能量转化的问题上,能量守恒同样面临尴尬的局面。

  篮球和地面所发生的完全弹性碰撞就是一个很好的例子。如果要篮球和地面发生完全弹性碰撞,那么在完全弹性碰撞的过程中,在地面碰撞点上存在两倍篮球动量当量的振动能量则是必然的产物。

  在采用能量转化和守恒定律的现代物理学所建立的物理关系中,不能正确的处理这个事实:所有的能量转化过程中,确定的转化途径存在确定的转化关系。同时,必然伴随其它能量形式同时的转化,并且也存在确定的独立的转化关系。

  这里举个例子来说:高速电子打到原子上,会产生x射线。在对电子和原子的撞击过程的能量计算中,X射线的能量宁可采用能量守恒和转化定律来这样计算:电子碰撞前的能量-电子碰撞后损失的能量=X射线的能量。

  在这个过程中,存在两种能量同时的转化,一种能量是电子的动量通过碰撞传递给原子,同时电子的速度状态变化过程会辐射电磁波,所辐射的电磁波的能量同电子的速度状态变化成正比。对这一新的描述的一个基本概念定义如下:

  荷速变化率:一个电荷在单位时间内的速度变化量。荷速变化率同电荷变速过程中所发射的电磁波的频率成正比。采用σ来描述

  荷速变化率常数:一个单位的荷速变化率和频率的当量关系。采用κ来描述。

那么电子和原子碰撞过程中X射线的频率可以表示为:ν=κσ

一个电子和原子碰撞过程中电子的变速过程所释放的X射线的能量为Q=νt=κσt,其中t为碰撞时间。

  采用电荷的速度状态来描述电子和其它粒子发生作用过程中所产生的电磁波,我们可以根据我们所接受到的电磁波精确的描述电子和其它粒子的作用状态。同时,可以从三个观测点观测到的电磁波来准确的求解粒子作用过程的空间位置和轨迹。这样测不准关系将不再成立。三个不同角度观测到的图像,我们只需要根据已经精确测量的空间位置,对它们进行叠加就可以得到碰撞过程的位置信息。这样,就完全转化为我们的理论计算了。

  这样,我们从这里就可以得到微观物质作用的准确的信息。

六、能量和物质结构状态的一个关系

    能量和物质结构状态是指的物质的分子动能和分子速度的关系。

    同一温度下的气体和固体之间没有能量传递。标志气体和固体内能大小的,是气体分子的运动速度和固体分子,原子的振动速度。若没有能量传递,则气体分子和固体分子,原子相互碰撞后,其速度在宏观统计上必不会改变。那么,气体分子和固体分子,原子在宏观统计上须满足mv1=-mv2.其中m、v1分别为固体分子的质量,碰撞时的速度,m、v2分别为气体分子的质量,速度。<由于固体的结构很复杂,m不是固体分子的质量,而是震动个体的质量〉否则必会在固体和气体之间发生热量传递。鉴于同种物质的温度与其分子的平均速度成正比,则物体的温度与物质分子,原子的平均动量成正比。不但气体与固体之间没有热量传递时满足mv1=-mv2,固体与固体之间、固体内部没有热量传递都需满足mv1=-mv2

  这说明物质的温度同物质分子的运动速度成正比。而不是物质的温度同分子运动速度的平方成正比。

七、能量定义系统的因果关系及重新定义能量系统面临的问题

     所有的能量的发生过程都会存在一个显著的特征,这个特征就是施加能量物体的状态变化会发生改变。物体是由微观分子、原子来构成的,或者物体本身就是基本粒子。那么所有的能量过程我们都可以通过和物体的作用过程来实现,不论任何形式的能量。因此,采用物体状态变化量来描述能量具有物理世界的通用性。同时,能量可以在所有的物质领域里都可以找到相对应地描述形式。

  使物体状态发生改变的最直接的原因就是作用力,任何一种作用都有相对应的作用形式。对于改变一个物体的运动状态,我们可以采用力与时间的乘积。对于一个物体的运动状态的改变,我们可以采用质量与速度的乘积。采用这样定义的优点将是无以比拟的。

  这样,在所有能量概念所包含的领域里,我们不需要任何的能量当量转换,就可以找到能量统一的表达形式。

  完成这样的的概念定义,需要对原有的不合理的能量体系作相应的变动。

  首先需要放弃的是能量守恒和转化定律。我们需要根据物质运动变化的实际情况来建立物质运动变化过程中的等量关系,而不是像现在这样,建立一个能量守恒和转化定律,就建立了一个物质运动变化的等量关系。

  其次也需要重新处理能量系统中不同的物质运动、物质作用原理之间的矛盾。比如杠杆原理力与距离的关系。进行外推,能量和参照系的关系,等等,前面已经讨论过了,这里就不再提了。

八、结束语

  采用作用力和距离的乘积作为能量的观念在能量概念的推广上会碰到很多的困难,一个困难就是在所有的物质运动变化中,不能找到统一的表达形式。需要在不同的能量形式里采用能量当量的关系来对不同的能量进行转化,来达到统一地描述。

  在机械运动中,采用力与距离的乘积作为能量的形式,会面对作用力和速度的关系。场的作用中力于速度的关系、反冲式动力模式中的力与速度的关系都是和参照系统无关的作用模式。FS对能量的定义会面对这种困难。

  mv或者ft的作用模式,可以适用于所有的能量作用形式,但需要放弃能量守恒和转化定律。同时,可以根据能量转化过程中的物质运动变化的规律建立新的能量转化规律,即:所有的能量转化过程中,确定的转化途径存在确定的转化关系。同时,必然伴随其它能量形式同时的转化,并且也存在确定的独立的转化关系。我们根据这个新的能量转化规律可以获得新的物质运动变化的信息。可以更为精确的描述微观物质的运动变化。它会打开微观物质世界结构的一扇新的大门,会使我们走入到对微观物质进行精确描述的世界。

   

参考资料:

《物理学基本概念和基本定律朔源》向义和   1994年09月第1版 p37

②、③《物理学基本概念和基本定律朔源》向义和  1994年09月第1版 p39

④《物理学基本概念和基本定律朔源》向义和  1994年09月第1版    p40

⑤能量单位定义的几个争议问题    物理科学探疑——机械运动的能量体系 
http://forrootbasic.51.net/shkl/wuzhi/bdxddxmsh/bdshymsh-x/nlddy/nldwddywt.htm

动能的定义困难   物理科学探疑——机械运动的能量体系
http://forrootbasic.51.net/guand/dnddykn.htm

⑦氢和氧的化学反应过程。

  氧气是由两个氧原子构成。一个自由的氧原子的原子核外电子分布如下:“氧原子核是由8个质子构成的正立方体,存在6个四质子面,6个核外电子分别位于六个质子面核原子核心的连线上。另两个电子为自由电子,分布在第二电子层以原子核为中心的的对称位置上。”⑧。那么氧分子的结构则是两个氧原子中四个自由电子粘合的结构。

  氢气是由两个氢原子构成。氢原子具有一个核外电子。氢分子是以两个氢原子的两个自由电子粘合的结构,氢分子对外不显电性。

  由于氧分子和氢分子都具有稳定的力的结构,对外不显电性,那么如果要想氢氧发生化学反应,氢分子和氧分子之间必须发生可以打破这种稳定状态的相互作用,化学反应才可以发生,或者换句话说,氢气和氧气必须具有确定的温度,才可以发生化学反应。

  我们先来看一下分子碰撞过程中判断放热和吸热过程的两个规则:

  一、放热过程,分子间的碰撞不能存在化合的形式,而必须是一种(或者是存在向相反方向反冲的粒子)分解的形式。

二、如果分子间通过碰撞而结合成一个分子,那么,根据动量定律,这一过程必然是吸热过程。

  氧分子和氢分子碰撞,如果可以打破氢、氧分子的稳定状态,那么最具可能的是氧分子从氢分子里得到一个质子,在得到的过程中,会使电子比较密集。这样HO2-核外电子给与H+核外电子较大的库伦斥力,使H+、HO2-获得一个较大的反向速度。

过程如下:

H2+O2=HO2-+H+放热

H2+O2=H2O-+O+放热

H++O2=HO-+O2+放热(H++O2=HO+O+)放热

HO-+H+=H2O  吸热

HO+H+=H2O吸热

HO+H2=H2O+H  放热   (HO+H2=H2O-+H+)放热

HO+O2=H2O2++O2-放热  (HO+O2=H2O++O-)放热

O-+H2=HO2-+H放热 (O-+H2=H2O-) 吸热

上面只列出了部分的可能性。推导的过程中采用力学的方法,而不是传统的化学中的方法.

由于在原子团碰撞过程中,随机性很大,除了三个吸热过程是确定性的之外,其它的都是可能性放热,可以肯定的是这些可能性的放热过程大部分是成立的。碰撞前的运动速度大于碰撞后的运动速度仅凭分解与组合简单的模式来判断有一定的困难。因为我们不仅知道碰撞前的速度,而且还要知道碰撞后的速度。这些是随机性很大的。但整体的过程是放热过程。

⑧化学的方向和方法   物理科学探疑——物理与化学
http://forrootbasic.51.net/dcllyyzl/huaxue/hxdfxyff/hxdfxhff.htm

可参见:球壳式原子核结构模型—和原子核外电子的力学分布方法   物理科学探疑——物质的存在
http://forrootbasic.51.net/shkl/wuzhi/yzhdjgmshhhwdzdlxfbff/yzhdjgmsh.htm

⑨动量定律在化学过程中的一个应用规律   物理科学探疑——物理与化学
http://forrootbasic.51.net/huaiy/nldgn/dldlzhhgchzhdygyy.htm

⑩、⑾机械运动的能量体系  物理科学探疑——机械运动
http://forrootbasic.51.net/guand/jxyddnltx.html

荷速变化率的观念,曾经在关于电磁相关的一些文章中提到过,原始观念可在相关的文中查到。

机械运动的能量体系  物理科学探疑——机械运动
http://forrootbasic.51.net/guand/jxyddnltx.html

 

后语:这篇文章是对1999年9月份发布的‘机械运动能量体系’的系统整理,对该文中零散的观点进行了逻辑结构上的处理,并进行了理论上的扩展。这篇文章并未曾将原文的内容全部包容进去,甚至只涉及了该文中的部分内容。读过那篇文章的读者应该有一定的印象,其中有一部分观点是错误的,我近期会做一修正说明。

能量守恒和转化定律的打破对于物理学的发展非常的重要,虽然这篇文章的内容已经做了多年的思考,但仍不能确保文中众多观点中每一个观点都可以经得住未来时间的检验。但我相信这篇文章有非常重要的价值。

这篇文章在确保本页面内容完整的情况下可以自由的转载。原发布站点:物理科学探疑

志勰 
2003年9月21日


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