能量转化的逻辑结构

志勰

简介:本文通过对能量转化过程进行逻辑分析,对能量转化进行了概括和总结。传统观念中对能量守恒和转化定律的证明是失效的。能量守恒和转化定律不能成立。


一、能量守恒和转化定律在物理上的意义

    在十九世纪四十年代前后,各种能量之间的转化当量关系迅速被科学家们研究,并被很多科学家独立的提出来能量守恒的思想。如:焦耳的热功当量,赫尔姆霍兹提出的力的守恒等观念。这是现今能量守恒和转化定律思想的前身。

    建立在各种能量之间当量关系的转化实际上并不能证明能量的守恒,人们在逻辑关系上搞错了。错误的逻辑关系在于,各种不同形式能量之间存在当量的关系,只能证明各种不同形式能量之间可以以确定的当量关系转化。而不能证明能量是守恒的。

    普遍认为,能量守恒和转化定律是十九世纪最伟大的三大发现之一,其主要的意义在于通过这个规律为未知的物质运动变化规律建立了一种等量关系的桥梁。在科学百年的发展过程中,能量守恒和转化定律被大量应用,引入错误的关系必然会为科学的这段发展带来相应的代价。

二、能量的结构

    在讨论能量的结构之前,我们先要了解一下什么是能量。

    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。”。

    在这个定义中,关键在于“表征一物质系统对外做功的能力。”,它基本上说明了能量的特征。但是“做功”一词本身携带了人类行为的特征。我认为不如采用“改变物质存在状态的能力”更为合理。

    具有能量特征的物质系统必须具有改变物质系统存在状态的这种能力,它的量值必然反映在如下的两个方面:释放能量的过程、能量存储的过程:

    1、释放能量的过程

    释放能量的过程就是改变物质存在状态的过程。必然通过两种等效的形式发生:第一、通过施加作用力。可以通过直接接触的形式,物质系统直接提供对外作用;也可以通过间接的形式,电场、磁场等施加作用。第二、可以通过施加动量的方式,通过运动物体采用摩擦、碰撞给物质系统施加动量。如:热机工作过程中高温气体的弹性碰撞。

    不论是气体、固体或者一个物质系统,改变存在状态必然通过如上的两种途径。

    2、存储能量过程

    存储能量过程的物质系统针对能量存储的属性,可归结为两种形式。

    一种形式是,将释放的能量存储为固定的能量物质或者能量物质系统,可以通过给这个能量存储系统一个激发的条件,使这个能量存储系统将存储的能量释放出来。通常所说的能源就具有这样的特征。如煤炭石油,电池。

    另一种形式是,能量体释放的能量不能被物质系统存储为固定的能量物质或者能量物质系统,只能改变这个物质系统的存在状态,如煤炭燃烧加热空气,空气吸收热量后,不能以特定的物质形式保存这种能量。

    两种存储形式关键是存储物质存储能量的条件。两者并不是绝对的,它们之间的区别在于能量存储状态能否被维持保留,比如加热杯中的水,我们同样也可以把水看作能量存储体。能量存储体要存储能量,必然有外界的作用改变能量存储体状态,使它达到能量可存储状态。能量存储的过程同样也是其它的能量的释放过程。

    在如上能量释放的过程、能量存储的过程里,完成能量的转化。

    我们可以看到:能量的转化过程是通过作用发生的,必然通过如下两种形式之一:第一、通过施加作用力。第二、通过施加动量。形成能量的转化。

三、能量转化的原因

    1、能量转化的原因

    在19世纪以前,人们普遍认为存在多种能量形式,如风能、热能、动能、电能、光能,无法通过形形色色的可以改变物质状态的表象来说明能量的统一性的原因,即便今天,仍然在采用延续以前的各种能量的名称来描述能量存储体所具有的能量的种类。也同样采用能量转换来说明不同种能量体之间的物质运动变化。在能量这个问题上,科学对这方面的认识并没有向前发展多少。

    前面我们已经讨论了能量过程必然通过的形式:第一、通过施加作用力。第二、通过施加动量。所有的能量发生过程都具有这样的特征,不论是光能、原子能甚至物质能都具有前面能量的结构中所说的这样的特征,十九世纪四十年代前后所证明的能量转化过程中的当量关系仅仅是证明了,不同能量释放过程中能量释放体和能量接受体之间的状态变化,都存在确定的关系。可以采用如下的关系表述:

一个单位能量释放体通过确定的能量释放途径可以使一个单位能量接受体产生一个确定的状态变化

n个单位能量释放体通过确定的能量释放途径可以使n个单位能量接受体产生一个确定的状态变化

    并得到结论:不同种能量之间可以进行能量转化。

    从物质运动变化的角度来看,这是不需要证明的。原因在于能量转化过程都必须通过施加作用力或者施加动量来完成。在科学定义系统中,作用力和动量之间的关系可以描述为ft=mv。能量体和能量接受体都是具有质量的物质,其最终可以归结为:

能量体系统的ft(mv)←——(通过作用)——→能量接受体系统的ft(mv)

    在这种意义上来说,不同种能量之间的转化,是因为物质所具有的相同的质量和导致物质运动状态改变原因的作用力的定义的同一。传统观念中的不同种能量形式,在能量属性的实质上,是相同的。只是计量模式和采用的单位不同。

2、能量定义系统的分歧

    在传统的机械运动领域,能量定义是采用作用力和距离的乘积作为能量定义的模式。在能量转化过程中我们可以看到,导致物质的能量进行转化的是作用,起决定的因素在于作用力和动量。我们可以说能量是通过作用力和动量所进行的转化。那么,为什么采用作用力和距离的乘积作为能量的定义呢?

    在机械运动领域,动能和势能间的转化[1]、两个相对自由运动摩擦物体系统间热能和动能的转化[2],都可以通过力与距离的乘积的量建立等量关系。大家知道,这就是传统能量的定义。

    那么是不是这种量应该定义为能量呢?是不是应该因此而建立能量守恒的关系呢?虽然在没有外力作用下的机械运动领域,可以建立一个系统间力与距离乘积量的等量关系,但这种量并不是导致物质运动状态发生变化的直接量。传统意义上,能量是一种标量。

    毫无疑问,能量是改变物质状态变化的量,那么能量怎么会是一种标量呢?

四、能量转化的过程

  1、通过碰撞和摩擦进行的转化

  碰撞和摩擦是物体间直接接触发生作用的能量转化形式,也是机械运动的主要能量转化形式。

  碰撞过程中,两个物体间存在一个力的作用点,该作用力点受到作用时,会将受到的作用力在物体中迅速传递,此一过程必然产生振动。碰撞过程中必然在碰撞物体中产生振动能量的转化。

  摩擦过程中,两个物体之间存在一个接触面,该接触面上的分子原子会由于两个接触面上的分子原子的剧烈碰撞,从而产生磨擦热。摩擦过程中必然在摩擦物体的接触面上产生热能转化。

  2、动能、势能之间的转化

   动能涉及的面比较广,但最终可归结为如下常见的转换方式:

   对于引力场中的物体,那么动能和势能的转化对象就是物体的动能和引力势能之间的转化。这是最简单的能量转化。除了动能和势能之间的转化方式之外,不涉及其它形式能量的转化。[3]

   对于电场中的带电粒子,那么动能和势能的转化对象就是带电粒子的动能和电势能之间的转化。由于在转化过程中,带电粒子的状态必然发生改变,那么带电粒子的变速运动则会辐射电磁作用。电场中的带电粒子的动能势能间的转化则会同时伴随电磁波的转化。

   对于磁场中的磁体,动能和势能的转化对象就是磁体的动能和磁势能之间的转化,磁体的运动必然会伴随磁场的运动,同样的这种转化也会形成磁场电场的转化。

   如果还存在其它的作用形式,那么仍然具有相类似的转化形式。

  3、电流、磁场、热能、机械能之间的转化

   这种转化形式可以说是最复杂的能量形式的转化。

   给一根直导线通一电流,在导线中存在电能向热能的转化并遵守I2Rt。同时,导线会产生一个磁场,导线所产生的磁场和电流的大小成正比。并会对铁磁性材料产生作用。电力作为动力的大量应用,大多是通过这种形式。如电动机。

   所有的能量转化形式都可以直接或者间接的归结到如上的三类转化过程里。在转化过程中具有如下的特点:

   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。[4]

   五、能量转化的计量

   根据能量转化的特点: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。

   我认为能量的计算应该根据能量转化过程中实际的作用形式来计算能量的转化关系,而不应该采用能量守恒和转化定律仅仅建立一个等量关系。如下几种情况可证明采用能量守恒和转化定律是完全失效的。

   1、电流转化的磁场对外作用

  如下的内容是此次添加的内容[6],添加时间2005.1.15。原内容可见本内容后面的银色字:

nlshhhz2.gif (1617 字节)     如左图:图中箭头的方向是电流的方向,水平面有一张平滑的纸,纸上一端均匀撒了一些碎铁粉末。

    导线中电流所产生的磁场同电流的大小成正比,铁是导磁性很强的物质。我们给导线通一电流,那么碎铁末则会在磁场的作用下发生重新排布的现象,并具有沿磁场排布的规律。这个现象恐怕中学的课堂上都会演示,是最普通的一个物理实验了。

    碎铁末发生重新排布说明磁场对铁粉末产生了作用,给导线通电后,铁粉末特殊的排布规律说明磁场移动了铁粉末,并且有能量施加在铁粉末上。

    这个能量大家都知道,是导线电流所产生的磁场对它施加的能量。由于如下两点:

  第一、铁粉末都在导线的一侧,因此,磁场不能形成以导线为圆心的磁场,使导线在最初通电的过程中由于电磁感应存储的磁能而增大导线电流的阻抗。也就是导线在通电过程中碎铁粉的存在并不影响导线中的电流。

  第二、导线和碎铁粉基本上处于静止状态,不会产生切割磁力线的运动。

  可判定导线在通电过程中仍然要遵守焦耳定律,导线通电过程中仍然要遵守Q=I2Rt,导线中不存在感生电流。磁场移动碎铁粉末所施加的能量是额外的能量,这样该过程能量不守恒。

(下面的则是原内容:

    导线中电流所产生的磁场同电流的大小成正比,方向垂直于电流的方向。

   导线中电流所产生的磁场同电流的大小成正比。如图:左边是一个固定好的电磁铁,右边是一个铁质小车。只要我们给电磁铁通一稳定的直流电,那么电磁铁则会产生一个稳定的磁场。该电磁铁则会吸引小车,使小车运动。小车的运动则可以看作是电磁铁对小车做功。

nlshhhz.gif (2562 字节)

   

   只要电磁铁和小车不接触,那么导线中的电流则不会受到影响。则存在如下的问题:

   如果我们将电流驱动电磁铁在空载的时候,单位时间所消耗的能量为一定值x,那么这个在将小车拉近的过程中,导线中的电流不会发生改变。单位时间内所消耗的能量仍然为x。附加的做功值则打破能量守恒。

    2、能量存储的失效

    化学能源如氢气、石油、煤炭等都是在和氧气燃烧过程中,利用原子间化和与分解过程中的相对势能,使燃烧后的产物获得大于燃烧前动能的方法来获取热能。我们只要改变燃烧环境,就可以使能量守恒所反映的量值则会失效。

    比如:我们知道,氢氧燃烧获得的温度可达三千度左右。我们只要将氢气和氧气单独的加热到远大于这个温度,然后再将它们会合到一起。

    加热到这样的温度条件之后,氢气和氧气都会分解为氢原子和氧原子,(冷却的过程中,氢原子、氢离子、氧原子、阳离子的混合体转变为水分子。加热氢气氧气所消耗的能量将大于冷却过程中氢气、氧气的混合体转变为水分子过程中释放的能量。添加时间 2005.1.4)氢原子和氧原子结合到一起,不但不会放热,而且还会吸热。原因是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。[5]

    3、弹性碰撞的能量转化

    前面我们曾经讨论了弹性碰撞,弹性碰撞单纯的在势能和动能之间是遵守传统的能量守恒和转化定律的。但在考虑到碰撞过程中必然所产生的振动能量,那么能量则不在守恒。

    假设篮球和地面发生完全弹性碰撞,那么篮球在碰撞的前后总能量是不变的。但是在地面上则产生一个振动能量。这个振动能量则打破能量守恒定律了。

    从能量转化的三种转化形式里各选择一种,其它的不作分析了。针对具体的数与量及相关转换属性的分析,还存在很多。

六、结束语

    能量守恒和转化定律是19世纪物质运动不生不灭的思想,它所产生的时代具有那个时代的局限性。甚至都不明白热是微观物质分子通过微观的运动形式表现为宏观的作用在作怪。能量的相互转化只是物质不同形式的作用。能量的统一在于作用的统一,它们都构成了物质运动变化的因果关系。

    局限于能量转化守恒的关系,对探索更深层次的物理世界百害而无一利。建议放弃能量守恒和转化定律,放弃现有的物理的能量定义系统。

附注:

[1]最初我认为弹性碰撞之间的弹性势能和动能的转化不遵守传统的能量守恒,主要是存在方向,传统的能量是标量。但最终在交流中被证明,弹性碰撞势能和动能间的转化遵守力与距离乘积的量的等量关系。

[2]两个物体之间单纯的摩擦和动能之间的转换。不包括在外力作用下之间的热能转换。如使用一个作用力采用不同运动速度去移动一个摩擦物体。不能建立等量关系。

[3]单纯的动能和势能之间的转化,不涉及其它作用形式,如引力场中的空气等。

[4]可参见 能量的定义系统与能量的转化   志勰

[5]可参见动量定律在化学过程中的一个应用规律 志勰

[6]在北大物理争鸣讨论证明能量守恒和转化定律不能成立的三个方法(本文第5部分)和yeboyebo先生讨论时发现,虽然小车在向电磁铁移动过程中,小车给与电磁铁电磁感应的量是很少的,但也不能忽略。确定的能量转化途径存在确定的关系。这个量应该遵守确定的关系。依据传统的能量观念,应该守恒的。故经过一夜的思索,找到这个方法来代替。有不同看法的朋友可到世纪大讨论中发表您的看法。该文分类编号050113vnf001

2005.1.1


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